DE856453C

DE856453C - Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Amplituden von Wechselspannungen

Info

Publication number: DE856453C
Application number: DET2548D
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl-Ing Leifer
Original assignee: Telefunken AG
Current assignee: Telefunken AG
Priority date: 1942-06-16
Filing date: 1942-06-16
Publication date: 1952-11-20

Description

Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Amplituden von Wechselspannungen Es ist bereits bekannt, eine Wechselspannung durch Abschneiden der Kuppen mittels vorgespannter Gleichrichter, insbesondere Dioden zu begrenzen. Wenn man nur einen Gleichrichter mit entsprechender Vorspannung parallel zum Übertragungsweg, legt, tritt der Nachteil auf, daß die M'echselspannung nur einseitig, z. B. bei der positiven Halbwelle beschnitten wird, was, abgesehen von dem besonders großen Klirrfaktor infolge des Auftretens der zweiten Harmonischen bewirkt, daß die Begrenzung sich praktisch kaum bemerkbar macht.
Wenn man, wie dies ebenfalls bekannt ist, beide Halbwellen unter Benutzung zweier quer zum Übertragungsweg entgegengesetzt geschalteter vorgespannter Dioden begrenzen will, treten besondere Schwierigkeiten ein. Es ist nämlich in vielen Fällen nur mit großem Aufwand möglich, die gegen den einen Pol der Wechselspannungsquelle negative Spannung zu erzeugen. Eine weitere Schwierigkeit ist, beide Gleichspannungen gleichzeitig in gleichem Maße zu regeln. Dies ist nämlich erforderlich, um zu verhindern, daß die Kuppen der Wechselspannung verschieden stark abgeschnitten werden, was wiederum bewirken würde, daß geradzahlige Harmonische auftreten.
Gemäß der Erfindung werden die Nachteile dieser bekannten Schaltung dadurch vermieden, daß quer zum Übertragungsweg ein vorgespannter und ein nicht vorgespannter Gleichrichter derart geschaltet werden, da.B der Gleichstromkreis der dem einen Gleichrichter zugeordneten Spannungsquelle sich nur über die beiden Gleichrichter schließen kann.
Die Abb. i zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung. Die von der Wechselstromquelle W herrührenden Spannungen U" werden über die Leitungen i und 2 dem weiteren Übertragungsweg zugeführt. Quer zum Übertragungsweg liegt mit der Kathode an der Leitung i und der Anode an der Leitung 2 der Gleichrichter a, während der ebenfalls quer zum Übertragungsweg liegende Gleichrichter b mit der Anode an der Leitung i, mit der Kathode jedoch über die gegebenenfalls regelbare Vorspannungsquelle e an der Leitung 2 liegt. Die Kapazitäten Cl und Ca sorgen dafür, daß der Gleichstromkreis der Vorspannungsquelle e sich nur über die beiden Gleichrichter a und b schließen kann. Im Eingangskreis der Begrenzerschaltung liegt noch der aus dem Innenwiderstand R1 und dem Vorwiderstand R3 gebildete resultierende Widerstand R1, während der im Ausgangskreis liegende resultierende Widerstand R2 aus dem Vorwiderstand R4 und dem Belastungswiderstand Ra besteht.
An Hand der Abb. 2 bis 5 soll die Wirkung dieser Schaltung näher erläutert werden. Es soll zunächst angenommen werden, daß die Leitungen i und 2 auf gleichem Gleichpotential, z. B. auf dem Erdpotential liegen. Wenn jetzt die Leitung i die positive Halbwelle der Wechselspannungsquelle W führt, wird, wie dies die Abb. 2 erkennen läßt, diese positive Halbwelle durch das Vorhandensein des Gleichrichters a nicht beeinflußt, da beim Positivwerden der Kathode der praktisch unendlich große Widerstand des Gleichrichters a sich nicht ändert. Wenn jedoch jetzt beim Erreichen der negativen Halbwelle die Leitung i negativer wird als die Anode der Röhre a, so wird die Röhre a leitend, und es wird praktisch, wie dies durch die Strichelung angedeutet ist, die' negative Halbwelle unterdrückt.
Stellt man die gleiche Überlegung für den Gleichrichter b an, so ist festzustellen, daß beim Positivwerden der Leitung i bis zu einem gewissen Potential der Gleichrichter b noch einen unendlich großen Widerstand hat, nämlich bis zu dem Potential, das dem Potential der positiv vorgespannten Kathode entspricht. Sobald dieses Potential überschritten wird, UB, wird der Gleichrichter b leitend, und es wird damit die obere gestrichelt dargestellte Kappe der Wechselspannung abgeschnitten (Abb. 3).
Als resultierende Spannung würde sich unter Berücksichtigung der Einschaltung des Gleichrichters die Spannung gemäß Abb. 4 ergeben.
Aus den Abb. 2 bis 4 ist ersichtlich, daß der Gleichstrom durch die beiden Gleichrichter verschieden is,. Das ist aber physikalisch unmöglich. Vielmehr muß der arithmetische Mittelwert des Stromes durch beide Gleichrichter gleich sein, da sie in Reihe mit der Gleichstromquelle e liegen. Der Mittelwert ist von der Höhe der abgeschnittenen Kuppe abhängig, so daß sich nur dann der gleiche Strom für beide Gleichrichter ergibt, wenn beide Halbwellen in gleichem Maße abgeschnitten werden (Abb. 5). Dies bedeutet aber, daß sich die Leitung i positiv gegen die Leitung 2 und damit auch Cl und C2 aufladen muß. Es ist dann die Spannung wenn UB die Spannung der Vorspannungsquelle und U1 die Spannung zwischen den Leitungen i und 2 bedeuten.
Für die Begrenzerwirkung spielt das Verhältnis der Größen der Widerstände R1, R2, RD (Widerstand des Gleichrichters in Durchlaßrichtung und Widerstand der Gleichspannungsquelle) und RS (Widerstand des Gleichrichters in Sperrichtung und Widerstand der Gleichspannungsquelle) eine Rolle. Im Sperrgebiet, das heißt, solange der Momentanwert uw der Wechselspannung Uw kleiner als die Begrenzungsspannung ist, ist die Spannungsteilung nach Abb. 6 a vorhanden. Im Durchlaßgebiet des Gleichrichters, das heißt für Momentanwerte uw der Wechselspannungen, die größer als sind, tritt für die Spannungsdifferenzen uw- Uldie Spannungsteilung gemäß der Abb. 7 a ein. Die Spannungsteilung ändert sich also entsprechend dem Unterschied zwischen R1 und RD.
Um nun ermitteln zu können, welchen Einfluß die Widerstände R1, R2, RS und RD haben, sind die Ersatzschaltbilder 6b und 7, den weiteren Betrachtungen zugrunde gelegt. Die Spannung der Stromquelle ist eine Ersatzspannung, U-Ersatz, die so zu wählen ist, daß die Spannungsverhältnisse am Widerstand RS und RD den Spannungsverhältnissen an diesen Widerständen bei der Schaltung nach Abb. 6a und 7a entsprechen. Der Absolutwert dieser Ersatzspannung ist ohne Bedeutung, da er bei den nachstehenden Verhältnisgleichungen wieder herausfällt.
Das Spannungsteilerverhältnis im Sperrgebiet vs nimmt folgenden Wert an Das Spannungsteilerverhältnis im Durchlaßgebiet VD ist dementsprechend Wie aus der Abb. 8 ersichtlich ist, ist das Verhältnis einMaß fürdie Güteder Spannungsbegrenzung.
Es ist ersichtlich, daß dieses Verhältnis möglichst klein gemacht werden muß, um ein sehr scharfes Abschneiden ,der Kuppen der Wechselspannungen zu erhalten.
Durch Einsetzen der Werte von VD und vs ergeben sich folgende Gleichungen Aus dieser Gleichung ist zu erkennen, daß sowohl ein großer Wert des Verliältniss,:s als auch des Verhältnisses anzustreben ist. Aus diesem Grunde ist es auch zweckmäßiger, Hochvakuumgleichrichter (Dioden) zu nehmen als Trockengleichrichter. Andererseits ist, wie aus der Schaltung nach Abb. i ersichtlich ist, zur Erzielung einer im Verhältnis zur Spannungsquelle möglichst großen Ausgangsspannung ein möglichst großer Wert des Verhältnisses sowie des Verhältnisses erforderlich.
Bei festliegenden Werten der Widerstände ist die Begrenzung weiterhin, wie aus der Abb. 9 ersichtlich ist, von dem Verhältnis U1 zu Uyy abhängig. Ist das Verhältnis sehr klein, so ist die Begrenzung wenig wirksam, da praktisch dann immer die Spannungsteilung VD vorhanden ist. Es wird praktisch immer mit dem Durchlaßwiderstand der Gleichrichter gearbeitet. Geht dagegen das Verhältnis gegen den Wert 1 z, so ist die Begrenzung bezogen auf die auftretenden Spitzenspannungen weit wirksamer, bezogen auf den arithmetischen oder effektiven Mittelwert oder den Mittelwert der Grundwellen dagegen nicht gleich gut, da die in der Abb. 9 schraffiert gezeichneten seitlichen Flächen der Spannungskurve auf die Größe der Mittelwerte eingehen. Es wird also jeweils ein für die Begrenzung und damit für die zu erzielende Spannungskonstanz optimaler Wert von einzustellen sein. Dieser optimale Wert wird um so kleiner und die Spannungsbegrenzung um so günstiger je kleiner das Verhältnis - ist.
Statt der in dem Ausführungsbeispiel dargestellten getrennten Dioden können auch Duodioden mit getrennten Kathoden Verwendung finden. Bei der Verwendung vorn Duodioden mit gemeinsamem Heizfaden liegt der Widerstand. zwischen Faden und Schicht parallel zur Piodenstrecke, verringert also unter Umständen den Sperrwiderstand RS. Es kann dann zweckmäßiger sein, getrennte Dioden mit gleichstrommäßig isolierter und mit der zugehörigen Kathode verbundener Heizung zu verwenden. Ein anderer Weg wäre der der Verwendung von besonderen Dioden, die auf sehr hohem Übergangswiderstand zwischen Faden und Schicht gezüchtet sind, z. B. mit strahlungsgeheizten Kathoden.
Um möglichst große St-mmetrie der Spannungskurven zu erzielen, also die Form in der einen Spannungsrichtung gleich der in der anderen zu machen, ist dafür Sorge zu tragen, daß beide Diodenstrecken die gleichen Gesamtdurchlaßwiderstände RD haben. Da bei der einen Diodenstrecke der Innenwiderstand der Gleichspannungsquelle in Reihe liegt, ist gegebenenfalls zusätzlich ein gleich großer Ohmscher Widerstand in Reihe mit der anderen Diodenstrecke zu schalten. In den meisten praktischen Fällen wird allerdings der Widerstand der Spannungsquelle gegenüber dem der Diodenstrecke zu vernachlässigen sein.
Die Längswiderstände R1 und R2 können auch induktiv oder kapazitiv oder auch allgemein Scheinwiderstände sein.
Die Schärfe der Spannungsbegrenzung kann durch mehrmalige Anwendung der Begrenzungsschaltung (Hintereinanderschaltung) wesentlich verbessert werden.
Mit der neuen Schaltung wird in einfachster Weise die Aufgabe gelöst, mit einer einzigen positiven Gleichspannung, die ohne Schwierigkeit in jedem Gerät hergestellt werden kann, beide Halbwellen zu begrenzen.

Claims

PATENTANSPRVCHE: i. Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Amplituden von Wechselspannungen unter Benutzung vorgespannter Gleichrichter, dadurch gekennzeichnet, daß quer zum Übertragungsweg ein vorgespannter und ein nicht vorgespannter Gleichrichter derart geschaltet sind, daß der Gleichstromkreis der dem einen Gleichrichter zugeordneten Vorspannungsquelle sich nur über die beiden Gleichrichter schließen kann.
2. Anordnung nach Anspruch r, gekennzeichnet durch mehrfache Hintereinanderschaltung der Begrenzerschaltung.
3. Anordnung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch die Verwendung von Hochvakuumgleichrichtern, bei denen das Verhältnis Widerstand in Sperrichtung zu Widerstand in Durchlaßrichtung möglichst groß ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichrichter Duodioden mit getrennten Kathoden dienen.
5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Gleichrichter mit strahlungsgeheizten Kathoden benutzt sind.
6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß getrennte Dioden mit gleichstrommäßig isolierter und mit der dazu gehörigen Kathode verbundener Heizung benutzt sind.
Anordnung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch eine derartige Wahl des Eingangswiderstandes R1 und des Ausgangswiderstandes R2 sowie des Widerstandes in Sperrichtung RS und des Widerstandes in Durchlaßrichtung RD, daß das Spannungsteilerverhältnis zu dem Verhältnis möglichst groß ist. B.
Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der Vorspannungsquelle des einen Gleichrichters einstellbar ist. g.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsquelle so eingestellt ist, daß ein für die Begrenzung optimaler Wert des Verhältnisses UB durch UW vorhanden ist, worin UB die Spannung der Vorspannungsquelle, Uw die Maximalamplitude der Wechselspannung ist. io.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Längswiderstände R1 und R2 Ohmsche Widerstände sind. ii.
Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsweg durch Kondensatoren von dem Gleichstromweg der Vorspannungsquelle für die Gleichrichter abgeblockt ist.
12. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Gleichrichter, dem die Vorspannungsquelle nicht zugeordnet ist, ein Widerstand von der Größe des Widerstandes der Vorspannungsquelle in Reihe geschaltet ist.