DE1295064B

DE1295064B - Filter circuit arrangement for rectifier circuits

Info

Publication number: DE1295064B
Application number: DE1963I0024539
Authority: DE
Inventors: Bixby William Herbert
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1963-10-10
Filing date: 1963-10-10
Publication date: 1969-05-14

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Siebkreisanordnung für Gleichrichterschaltungen mit der Primärwicklung und der dazu in Reihe geschalteten Sekundärwicklung eines Transformators im Längskreis und einem am Verbindungspunkt beider Wicklungen angeschlossenen impedanzbehafteten Siebkondensator im Querkreis.The invention relates to a filter circuit arrangement for rectifier circuits with the primary winding and the secondary winding connected in series with it Transformer in the series circuit and one connected to the connection point of both windings impedance-affected filter capacitor in the cross circuit.

Die einfachste Möglichkeit zur Unterdrückung von Welligkeitsspannungen besteht darin, daß ein Siebkondensator parallel zum Ausgang eines Gleichrichters und damit seiner Last angeschlossen wird. Die an den Klemmen des Kondensators und der Last auftretende Welligkeitsspannung ändert sich umgekehrt proportional mit der Frequenz der Welligkeitsspannung, vorausgesetzt, daß der Spannungsmittelwert am Kondensator und der Mittelwert des Laststroms konstant gehalten werden. Deshalb ist es naheliegend, den Gleichrichtereingang mit einer Wechselspannung relativ hoher Frequenz zu speisen und einen Kondensator möglichst großer Kapazität zu verwenden, um bei geringem Aufwand eine große Wirkung erzielen zu können. Elektrolytkondensatoren sind für diesen Zweck geeignet, weil sie relativ billig und für Kondensatoren relativ großer Kapazität ziemlich klein sind. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die verfügbaren Elektrolytkondensatoren einen Scheinwiderstand besitzen, der aus der Reihenschaltung von Wirkwiderstands-, induktiven und kapazitiven Blindwiderstandsanteilen gedacht werden kann. Es hat sich weiter herausgestellt, daß bei der üblichen Verwendung eines solchen Elektrolytkondensators als Siebkondensator-und- mit -zunehmender Frequenz bei sowohl fester Eingangswechselspqnnung als auch festem Laststrom die Welligkeitsspannung am Filter auf einen kleinsten Wert abfällt und dann mit zunehmender Frequenz wieder ansteigt. Diese kleinste Welligkeitsspannung ist dabei wesentlich größer als die Welligkeitsspannung eines Kondensators, der nur einen kapazitiven Blindwiderstand besitzt. Eine weitere Erhöhung der Frequenz der Eingangswechselspannung wirkt sich unter diesen- Umständen nur noch nachteilig aus: -Durch die schweizerische Patentschrift 219 788 bzw. durch die deutsche Patentschrift 974 433 sind bereits Schaltungsanordnungen zur Unterdrückung der Welligkeit gleichgerichteter Wechselströme bekanntgeworden. Danach ist ein Siebglied vorzusehen, bei dem im Längszweig in Reihe mit der Last eine angezapfte Drosselspule angeordnet ist und im Querzweig zwischen der Anzapfung der Drosselspule und ; dem anderen Anschlußpunkt der Last ein Siebkondensator eingeschaltet ist. Zur Beseitigung der noch verbleibenden Restwelligkeit sind jedoch in den entgegengehaltenen Schaltungen. weitere zusätzliche Schaltmittel, z. B. eine Drossel (schweizerische ; Patentschrift) bzw. ein komplizierterer Transformator (deutsche Patentschrift), nötig. Außerdem ist der erforderliche Abgleich nicht einfach durchzuführen.The easiest way to suppress ripple voltages consists in placing a filter capacitor in parallel with the output of a rectifier and thus connected to its load. The ones on the terminals of the capacitor and the ripple voltage occurring in the load changes inversely proportionally the frequency of the ripple voltage, provided that the voltage mean across the capacitor and the mean value of the load current are kept constant. That's why it is obvious to use the rectifier input with an alternating voltage relatively higher To feed frequency and to use a capacitor with the largest possible capacity, in order to be able to achieve a great effect with little effort. Electrolytic capacitors are suitable for this purpose because they are relatively cheap and relatively for capacitors large capacity are quite small. However, it has been found that the available electrolytic capacitors have an impedance resulting from the Series connection of active resistance, inductive and capacitive reactance components can be thought of. It has also been found that in normal use such an electrolytic capacitor as a filter capacitor - and - with increasing frequency the ripple voltage for both a fixed AC input voltage and a fixed load current drops to a minimum value at the filter and then again with increasing frequency increases. This smallest ripple voltage is significantly greater than that Ripple voltage of a capacitor that has only a capacitive reactance owns. A further increase in the frequency of the AC input voltage has an effect under these- circumstances only disadvantageous from: -by the Swiss patent specification 219 788 or by the German patent specification 974 433 are already circuit arrangements to suppress the ripple of rectified alternating currents. According to this, a sieve element is to be provided, in which in the longitudinal branch in series with the load a tapped choke coil is arranged and in the cross arm between the tap the choke coil and; A filter capacitor is switched on at the other connection point of the load is. To eliminate the remaining ripple, however, are in the countered Circuits. further additional switching means, e.g. B. a throttle (Swiss ; Patent specification) or a more complicated transformer (German patent specification), necessary. In addition, the necessary adjustment is not easy to carry out.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, die an sich bekannte Siebkreisanordnung weiterzuver- t bessern, insbesondere die verbleibende Restwilligkeit durch einfachere Mittel zu beseitigen und die Abgleichmöglichkeit zu verbessern.The object of the invention is now the known per se Further improve the sieve circle arrangement, in particular the remaining residual willingness to be eliminated by simpler means and to improve the possibility of matching.

Die Erfindung besteht darin, daß zur Primärwicklung ein Widerstand parallel geschaltet ist, dessen f Wert zumindest die gleiche Größenordnung wie der äquivalente Reihenwirkwiderstand des Siebkondensators besitzt und das Übersetzungsverhältnis des Transformators mindestens nahezu gleich dem Verhältnis der Werte von Widerstand zu Reihenwirkwiderstand gewählt ist.The invention consists in that a resistor for the primary winding is connected in parallel, the f value of which is at least the same order of magnitude as the equivalent series resistance of the filter capacitor and the transformation ratio of the transformer at least almost equal to the ratio of the values of resistance to series resistance is selected.

Wegen der bei den Welligkeitsspannungen auftretenden relativ hohen Frequenzen sind auf dem Transformatorkern sehr wenige Windungen nötig, so daß der Magnetkreis nur einen relativ kleinen Luftspalt aufzuweisen braucht. Außerdem kann die Eingangsimpedanz der Primärwicklung gegenüber dem Wert des Vorwiderstandes groß gehalten werden. Die Welligkeitsspannung, die dadurch entsteht, daß ein Welligkeitsstrom durch den Vorwiderstand und den damit in Reihe liegenden Elektrolytkondensator fließt, erscheint an der Primärwicklung des Transformators, und durch Transformation erscheint an der Sekundärwicklung des Transformators eine Spannung, die nahezu gleich der Spannung ist, die am äquivalenten Wirkwiderstand des Elektrolytkondensators infolge desselben Welligkeitsstroms auftritt. Die Spannung o an der Sekundärwicklung des Transformators wird der Lastschaltung gegensinnig zur Welligkeitsspannung am äquivalenten Wirkwiderstand des Elektrolytkondensators aufgeprägt, so daß die Welligkeitskomponente an der Last stark reduziert oder nahezu beseitigt wird.Because of the relatively high ripple voltages Frequencies very few turns are necessary on the transformer core, so that the Magnetic circuit only needs to have a relatively small air gap. Also can the input impedance of the primary winding is large compared to the value of the series resistor being held. The ripple voltage created by a ripple current flows through the series resistor and the electrolytic capacitor in series with it, appears on the primary winding of the transformer, and through transformation appears at the secondary winding of the transformer a voltage almost equal to the Voltage is the result of the equivalent effective resistance of the electrolytic capacitor of the same ripple current occurs. The voltage o on the secondary winding of the Transformer is the load circuit in the opposite direction to the ripple voltage on the equivalent Resistance of the electrolytic capacitor impressed, so that the ripple component at the load is greatly reduced or almost eliminated.

Zusätzlich zu seinem Reihenwirkwiderstand hat der Elektrolytkondensator eine gewisse Äquivalentreiheninduktivität, und dies kann sich deutlich auf die Welligkeitsspannung bei relativ hohen Welligkeitsfrequenzen auswirken, z. B. bei Welligkeitsfrequenzen in der Größenordnung von 10 000 Hertz. Außerdem besitzt auch der Vorwiderstand eine Streuinduktivität. Durch an sich bekannte Maßnahmen kann leicht die äquivalente Reiheninduktivität des Vorwiderstandes so gestaltet werden, daß das Windungsverhältnis der Sekundär- zur Primärwicklung des Transformators nahezu dem Verhältnis der äquivalenten Reiheninduktanz des Elektrolytkondensators zur äquivalenten Reiheninduktivität des Vorwiderstandes ist, so daß sich eine weitere vorteilhafte Wirkung zur Kompensation der Welligkeitsspannung ergibt.In addition to its series resistance, the electrolytic capacitor has some equivalent series inductance, and this can clearly affect the ripple voltage affect at relatively high ripple frequencies, z. B. at ripple frequencies on the order of 10,000 Hertz. In addition, the series resistor also has a Leakage inductance. By means of measures known per se, the equivalent Series inductance of the series resistor can be designed so that the turns ratio of the secondary to the primary winding of the transformer almost the ratio of the equivalent Series inductance of the electrolytic capacitor to the equivalent series inductance of the Series resistor is, so that there is a further advantageous effect for compensation the ripple voltage results.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt F i g.1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung, F i g. 2 das Diagramm des reziproken Wertes der Frequenz (fII als Funktion der Welligkeitsspannung.The invention is described below using an exemplary embodiment explained in more detail with the help of the drawings. FIG. 1 shows a basic circuit diagram the circuit according to the invention, FIG. 2 the diagram of the reciprocal of the Frequency (fII as a function of the ripple voltage.

In F i g. 1 wird ein Vollweggleichrichter mit nachgeschaltetem Kondensatorfilter gezeigt, um den aus der WechselstromquelIe 10 stammenden und anschließend gleichgerichteten und gefilterten Strom einer -Last 11 zuzuführen. Nach Belieben könnten auch andere Arten von allgemein üblichen Gleichrichtern und Filtern benutzt werden. Die Wechselstromquelle 10 ist in an sich bekannter Weise an die Primärwicklung 12 eines Transformators 13 angeschlossen, dessen Sekundärwicklung 14 zwei Endklemmen 15 und 16 und eine Mittelklemme 17 hat. Die Endklemmen 15 und 16 sind über Gleichrichter 18 und 19 mit der positiven Gleichrichterausgangsklemme 20 verbunden, und die Mittelklemme 17 ist an die negative Gleichrichterausgangsklemme 21 angeschlossen.In Fig. 1 becomes a full-wave rectifier with a downstream capacitor filter shown to the originating from the AC power source 10 and then rectified and to supply filtered power to a load 11. Others could as well Kinds of common rectifiers and filters can be used. The AC power source 10 is connected in a manner known per se to the primary winding 12 of a transformer 13 connected, the secondary winding 14 of which has two end terminals 15 and 16 and one Middle clamp 17 has. The end terminals 15 and 16 are via rectifiers 18 and 19 connected to the positive rectifier output terminal 20, and the middle terminal 17 is connected to the negative rectifier output terminal 21.

An die Gleichrichterausgangsklemmen 20 und 21 ist ein Strompfad angeschlossen, in dem ein Vorwiderstand 22 und ein Elektrolytkondensator 23 in Reihe liegen. Der Elektrolytkondensator 23 besitzt eine Kapazität C, eine äquivalente Reiheninduktivität L, und einen äquivalenten Reihenwirkwiderstand R" die alle als in Reihe liegend gedacht sind. Der Vorwiderstand 22 und seine Verbindungsleitungen weisen eine in Reihe liegende Streuinduktivität 24 auf. Die Gleichrichterausgangsklemme 20 ist mit einem Ende der Wicklung 25 eines Transformators verbunden, welche einen lamellierten Kern 26 aus magnetisierbarem Material mit einem Luftspalt 27 umgibt. Das andere Ende der Wicklung 25 ist mit der Last 11 verbunden, die andererseits an die Gleichrichterausgangsklemme 21 angeschlossen ist. Die als Primärwicklung 28 wirkende Teilwicklung der Wicklung 25 liegt parallel zum Widerstand 22. Die als Sekundärwicklung 29 wirkende Teilwicklung der Wicklung 25 und die damit in Reihe liegende Last 11 sind parallel zum Elektrolytkondensator 23 geschaltet. Das Verhältnis der Windungszahl der Sekundärwicklung 29 zur Windungszahl der Primärwicklung 28 wird nahezu gleich dem Verhältniswort des äquivalenten Reihenwirkwiderstandes R, des Elektrolytkondensators 23 zum Wert des Vorwiderstandes 22 gewählt. Bei dieser Bemessung wird eine Welligkeitsspannung am Widerstand 22, die durch einen entsprechenden Strom in dem aus dem Widerstand 22 und dem Kondensator gebildeten Pfad hervorgerufen wird, an die Primärwicklung 28 gelegt und auf die Sekundärwicklung 29 übertragen, welche nahezu gleich der Welligkeitsspannung am Reihenwirkwiderstand R, des Kondensators 23 ist. Da die so auf die Sekundärwicklung 29 übertragene Welligkeitsspannung etwa entgegengesetzt gleich der am Widerstand R, entstehenden Welligkeitsspannung ist, wird die der Last 11 zugeführte Welligkeitskomponente nahezu kompensiert. A current path in which a series resistor 22 and an electrolytic capacitor 23 are connected in series is connected to the rectifier output terminals 20 and 21. The electrolytic capacitor 23 has a capacitance C, an equivalent series inductance L, and an equivalent series resistance R ″, all of which are intended to be in series. The series resistor 22 and its connecting lines have a series of leakage inductance 24. The rectifier output terminal 20 has one end the winding 25 of a transformer, which surrounds a laminated core 26 made of magnetizable material with an air gap 27. The other end of the winding 25 is connected to the load 11, which on the other hand is connected to the rectifier output terminal 21. The partial winding of the Winding 25 is parallel to resistor 22. The partial winding of winding 25 acting as secondary winding 29 and the load 11 in series with it are connected in parallel to electrolytic capacitor 23. The ratio of the number of turns of secondary winding 29 to the number of turns of primary winding 28 is almost the same the ratio of the equivalent series resistance R, of the electrolytic capacitor 23 to the value of the series resistor 22 is selected. With this dimensioning, a ripple voltage at resistor 22, which is caused by a corresponding current in the path formed by resistor 22 and the capacitor, is applied to primary winding 28 and transferred to secondary winding 29, which is almost equal to the ripple voltage at series resistor R, of the capacitor 23 is. Since the ripple voltage thus transmitted to the secondary winding 29 is approximately the opposite of the ripple voltage occurring at the resistor R 1, the ripple component supplied to the load 11 is almost compensated.

Insbesondere bei Welligkeitsfrequenzen, die oberhalb der Resonanzfrequenz des aus der Kondensatorkapazität C und der Streuinduktivität L, des Elektrolytkondensators 23 gebildeten Reihenresonanzkreises liegen, müßte zur vollständigen Kompensation auch das Windungsverhältnis von Sekundärwicklung 29 zur Primärwicklung 28 etwa gleich dem Verhältnis der Streuinduktivität L, zur Streuinduktivität 24 des Vorwiderstandes 22 sein.Especially with ripple frequencies that are above the resonance frequency des from the capacitor capacitance C and the leakage inductance L, of the electrolytic capacitor 23 formed series resonance circuit would have to be for complete compensation the turns ratio of secondary winding 29 to primary winding 28 is also approximately the same the ratio of the leakage inductance L to the leakage inductance 24 of the series resistor 22 to be.

Um zu veranschaulichen, wie wirksam die Schaltung nach F i g. 1 die Welligkeitsspannungskomponente der Lastspannung reduziert, sind Versuchsergebnisse im Diagramm nach F i g. 2 dargestellt ; worden. Dort ist der reziproke Wert der Frequenz f in Kilohertz des Eingangswechselstromes in Abhängigkeit von der Welligkeitsspannung an der Last aufgetragen. Kurve A beruht auf Meßwerten, die mit Hilfe der Schaltung nach F i g. 1 ermittelt worden ; sind, und Kurve B bezieht sich auf Meßwerte einer normalen Schaltung, d. h. einer solchen, die sich ergibt, wenn in F i g. 1 der Widerstand 22 und der Transformator 25, 26 weggelassen ist, wenn also eine direkte Verbindung der positiven Lastklemme und f der positiven Klemme des Kondensators 23 mit der positiven Gleichrichterausgangsklemme 20 besteht.To illustrate how effective the circuit of FIG. 1 reduces the ripple voltage component of the load voltage, test results are shown in the diagram according to FIG. 2 shown; been. There, the reciprocal value of the frequency f in kilohertz of the input alternating current is plotted as a function of the ripple voltage on the load. Curve A is based on measured values obtained with the aid of the circuit according to FIG. 1 has been determined; and curve B relates to measured values of a normal circuit, that is to say one which results when in FIG. 1 the resistor 22 and the transformer 25, 26 are omitted, so if there is a direct connection of the positive load terminal and f the positive terminal of the capacitor 23 to the positive rectifier output terminal 20 .

In der gemessenen Schaltung hatte der Elektrolytkondensator 23 mit einem Nominalwert von 15 000 #tF bei 12 Volt Gleichspannung eine gemessene Kapazität C von 24 098 [F bei einer Frequenz von 60 Hertz und einen äquivalenten Reihenwirkwiderstand R, von 0,029 Ohm. Die Transformatorwicklung 25 hatte insgesamt zehn Windungen, und zwar hatten die Primärwicklung 28 und die Sekundärwicklung 29 je fünf Windungen. Der Luftspalt 27 betrug etwa 0,08 mm. Der Vorwiderstand 22 hatte einen Wert von 0,01595 Ohm. Während der Versuche wurde der gleichgerichtete Spannungsmittelwert an den Klemmen 15 und 16 der Transformatorwicklung 14 konstant auf 20,0 Volt und der durchschnittliche Laststrom konstant auf 9,6 Amp. gehalten. Die Frequenz der Wechselstromquelle 10 wurde zwischen 400 und 2400 Hertz verändert, und die Ablesungen wurden bei 400, 600, 900, 1200, 1500, 1800, 2100 bzw. 2400 Hertz vorgenommen.In the measured circuit, the electrolytic capacitor 23 with a nominal value of 15,000 #tF at 12 volts DC voltage had a measured capacitance C of 24,098 [F at a frequency of 60 Hertz and an equivalent series resistance R, of 0.029 ohms. The transformer winding 25 had a total of ten turns, namely the primary winding 28 and the secondary winding 29 each had five turns. The air gap 27 was about 0.08 mm. The series resistor 22 had a value of 0.01595 ohms. During the tests, the rectified mean voltage at terminals 15 and 16 of the transformer winding 14 was kept constant at 20.0 volts and the average load current was kept constant at 9.6 amps. The frequency of the AC power source 10 was varied between 400 and 2400 Hertz and the readings were taken at 400, 600, 900, 1200, 1500, 1800, 2100 and 2400 Hertz, respectively.

Aus F i g. 2 ergibt sich, daß die Welligkeitsspannungskomponente an der Last beträchtlich höher ist, wenn der Elektrolytkondensator 23 allein als Filterelement verwendet wird (Kurve B), als wenn die in F i g. 1 gezeigte Filterschaltung benutzt wird (Kurve A). Bei einer Eingangsfrequenz von 2400 Hertz ergibt sich bei Verwendung der Schaltung nach der Erfindung gemäß F i g. 1 eine Reduktion der Welligkeitskomponente von etwa 0,26 auf etwa 0,05 Volt. Dies bedeutet eine Reduktion um etwa 81%. Bei 400 Hertz beträgt die Reduktion etwa 22%. Bei einer überlicherweise verwendeten Netzfrequenz von 50 Hertz dürfte die prozentuale Welligkeitsreduktion, die sich unter Verwendung des Vorwiderstands 22, des Transformators 25, 26 und des Elektrolytkondensators 23 gemäß F i g. 1 ergibt, gegenüber der alleinigen Benutzung des Elektrolytkondensators 23 entsprechend geringer werden. Die Kurve A stellt eine nahezu gerade Linie dar, die bei Verlängerung gemäß dem gestrichelten Teil 30 durch den Ausgangspunkt des Koordinatensystems hindurchginge. Das Ergebnis, das sich bei Verwendung eines idealen Kondensators einstellen würde, d. h. eines Kondensators, der nur die Kapazität C enthält und der an die Gleichrichterausgangsklemmen 20, 21 und an die Last 11 angeschlossen ist, ist eine durch den Ausgangspunkt der Koordinaten hindurchgehende Gerade. Die enge Annäherung der durch die Meßwerte bedingten Kurve A an das Ideal zeigt die Wirksamkeit der Kompensation des wirksamen Reihenwiderstandes R, des Elektrolytkondensators 23, welche durch die Verwendung des Widerstandes 22 und des Transformators 25, 26 in der Schaltung von F i g. 1 erreicht wird.From Fig. 2, it is found that the ripple voltage component at the load is considerably higher when the electrolytic capacitor 23 is used alone as a filter element (curve B) than when the components shown in FIG. 1 is used (curve A). With an input frequency of 2400 Hertz, the circuit according to the invention according to FIG. 1 shows a reduction in the ripple component from about 0.26 to about 0.05 volts. This means a reduction of around 81%. At 400 Hertz, the reduction is around 22%. With a normally used network frequency of 50 Hertz, the percentage ripple reduction that can be achieved using the series resistor 22, the transformer 25, 26 and the electrolytic capacitor 23 according to FIG. 1 results, compared to the sole use of the electrolytic capacitor 23 are correspondingly lower. The curve A represents an almost straight line which, if extended according to the dashed part 30, would pass through the starting point of the coordinate system. The result that would result if an ideal capacitor were used, ie a capacitor which only contains the capacitance C and which is connected to the rectifier output terminals 20, 21 and to the load 11, is a straight line through the starting point of the coordinates. The close approximation of the curve A caused by the measured values to the ideal shows the effectiveness of the compensation of the effective series resistance R, the electrolytic capacitor 23, which is achieved by the use of the resistor 22 and the transformer 25, 26 in the circuit of FIG. 1 is reached.

Claims

Claims: 1. Filter circuit arrangement for rectifier circuits with the primary winding and the secondary winding of a transformer connected in series in the series circuit and an impedance-affected filter capacitor connected to the connection point of both windings in the cross circuit, characterized in that a resistor (22) is connected in parallel to the primary winding (28) whose value has at least the same order of magnitude as the equivalent series resistance (R,) of the filter capacitor (23), and the transmission ratio of the transformer is selected to be at least almost equal to the ratio of the values of resistor (22) to series resistance (R,). 2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the ratio of the value of an inductance (24) connected in series with the series resistor (22) to that of the equivalent series inductance (L,) is approximately equal to the transmission ratio of the transformer.