DE1438565A1

DE1438565A1 - Schaltungsanordnung zum Gewinnen einer Gleichspannung

Info

Publication number: DE1438565A1
Application number: DE19621438565
Authority: DE
Inventors: Antonius Boekhorst
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1961-04-13
Filing date: 1962-04-10
Publication date: 1968-10-24
Also published as: NL263600A; FR1319760A; NO119284B; DE1438565B2; US3271617A; GB992036A; NL126003C; DK105073C; DE1193538B; NO119284C

Description

N 21 437 VIIIb/21c Hamburg, den 22. Febr. I968

N.V. Philips¹ Gloeilampenfabrieken Ha-hh

Meine Akte: EI/P - 10 PH - 16

"Schaltungsanordnung zum Gewinnen einer Gleichspannung"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Gewinnen einer Gleichspannung, deren Wert mit zunehmender Amplitude einer einem nichtTinearen Clement und einem Kondensator zugeführten symmetrischen Wechselspannung abnimmt.

Bei bekannten Schaltungen wird eine Gleichspannung in der Regel durch Elemente mit unsymmetrischer Kennlinie', z.B. Dioden, gewonnen. Es ist auch bekannt, einem Element mit nichtlinearer symmetrischer Stromspannungs-Kennlinie eine unsymmetrische, z.B. impulsförmige Spannung zuzuführen, wobei in üblicher V/eise eine Gleichspannung gewonnen wird, die mit zunehmender Amplitude der zugeführten Wechselspannung ebenfalls zunimmt; eine derartige Schaltung wird nach der US-Patentschrift 2 628 326 im Zeilen-Ablenkteil eines Fernsehempfängers verwendet.

Man erhält eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art, bei der in einfacher Weise der gewünschte Zusammenhang zwisehender zugeführten Wechselspannung und der entnommenen Gleichspannung erhalten wird, wenn gemäß der Erfindung das Element eine wenigstens annähernd symmetrische Stromspannungs-Kennlinie aufweist und dem Element eine Vorspannung zugeführt wird.

Mögliche Ausführungsformen von Schaltungen nach der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Gleichrichterschaltung zum Erzeugen einer gegenüber Netzspannungsschwankungen stabilisierten Gleichspannung.

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NfBUQ .Unterlagen (Art 7 § I Abs. 2 Nr. I Satz 3 des Änderungsges. v. 4.9.1967) ~²~

Fig. 2 zeigt Spannungen und Ströme in einen Diagramm, in dem . auch die Kennlinie des nichtlinearen Elementes eingezeichnet ist.

Fig. 2 zeigt die Ausgangsspannung V₁₀ der Schaltung nach Fig. 1 als Funktion der Hetzspannung V

In Fig. 1 ist die Primärwicklung eines Transformators 1 an die Metzspannung V_nefc angeschlossen. Mit der Sekundärwicklung dieses Transformators ist eine übliche Gleichrichterschaltung verbunden, die aus einer Diode 2 und einem Glattungsnetzwerk besteht, welches von einer Drosselspule 3 und zwei Glättungskondensatoren 4 und 5 gebildet wird. Am zweiten Kondensator 5 entsteht daher eine Gleichspannung V, die aufgrund der in Fig, I angegebenen Anschlußweise der Diode 2 eine positive Gleichspannung ist. Naturgemäß kann durch Umkehrung der Diode 2 eine negative Gleichspannung am Kondensator 5 erhalten werden.

Mit einer Anzapfung 6 der Sekundärwicklung des Transformators 1 ist eine zweite Gleichrichterschaltung verbunden, welche aus einem spannungsabhängigen Widerstand 7 mit symmetrischer Kennlinie, z.B. einem VDR-VJi der stand und einem Kondensator 8, besteht. Normalerweise kann ein solcher spannungsabhängiger Widerstand nur als Gleichrichterschaltung wirksam sein, wenn ihm eine unsymmetrische Wechselspannung zugeführt wird.

Nach der Erfindung wird über einen Ohmschen Widerstand 9 spannungsabhängigen Widerstand 7 eine Vorspannung angelegt, wodurch sich auch hi sr eine Gleichrichterwirkung ergibt. Die der Anzapfung 6 gegen Erde,entnommene Wechselspannung ist, wie die an der Primärwicklung des Transformators 1, eine genau sinusförmige Wechselspannung und also symmetrisch gegen Erdpotential. Durch die an den Widerstand 7 angelegte Vorspannung wird eine Gleichrichtung ermöglicht, so daß der Schaltung nach Fig. 1 eine, abnehmende oder eine konstante Spannung bei zunehmender Netzspannung V . entnommen werden kann.

Dies ist wie folgt zu erklären.

Da an dem zwischen der Anzapfung 6 und Erde liegenden Teil der

BAD QRiSINAL

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-J-

Sekundärwicklung des Transformators 1 nahezu keine Gleichspannung abfällt, steht die Gleichspannung V am Kondensator 5 an der Reihenschaltung des Ohmschen Widerstandes 9 und des spannungsabhängigen Widerstandes 7· Die Gleichspannung am spannungsabhängigen Widerstand 7 wird im folgenden mit "Vy_DR bezeichnet. Die Gesamtspannung V nimmt in proportionalem Verhältnis zu V . zu, während ohne Wechselspannung von der Anzapfung 6 die Gleichspannung V,_7rvD infolge der nicht linearen

V i/n

Kennlinie des spannungsabhängigen Widerstandes 7 bei zunehmender Netzspannung V . in stets geringerem Maße zunehmen würde.

Im Vorhergehenden ist die Spannung V positiv vorausgesetzt, so daß der Verbindungspunkt zwischen dem spannungsabhängigen Widerstand 7 und dem Kondensator 8 positiv ist gegenüber dem Verbindungspunkt zwischen diesem spannungsabhängigen Widerstand 6 und der Anzapfung oder mit anderen V/orten, die Anzapfung 6 ist negativ gegenüber dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 7 und dem Kondensator 8. Wie oben erwähnt, tritt an dem zwischen der Anzapfung 6 und Erde liegenden Teil der Sekundärwicklung keine Gleichspannung auf, so da3 die Gleichspannung V_VDR gleichzeitig als positive Gleichspannung V =

am Kondensator 8 steht.

Die Vorspannung V_V~_R bewirkt, daß die Wechselspannung am spannungsabhängigen Widerstand 7* die durch die der Anzapfung entnommene Wechselspannung herbeigeführt wird, nicht symmetrisch um Erdpotential schwanken wird, wie es ohne Vorspannung der Fall wäre. Die Wechselspannung an der Anzapfung 6 muß z.B. zunächst eine positive Spannung gleich der Spannung V„~_R angenommen haben, bevor die Spannung V_vn„ am Element 7. zwischen dem Verbindungspunkt des Kondensators 8 mit dem spannungsabhängigen Widerstand 7 und der Anzapfung 6 einen Wert gleich Null erhält.

Dies ist in Fig. 2 näher verdeutlicht, in der die- Kurve 10 die bekannte nichtlineare Stromspannungs-Kennlinie des spannungsabhängigen Widerstandes 7 darstellt. Bei Abwesenheit einer Vorspannung am spannungsabhängigen Widerstand 7 würde die Wechsei-

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spannung um die vertikale Achse in Fig. 2, d.h. um Erdpotential, schwanken. Der Mittelwert des Stromes durch den Kondensator 8 (der Kapazitätswert des Kondensators 8 ist so groß gewählt, daß bei der Frequenz der verwendeten Wechselspannung die Impedanz dieses Kondensators klein ist gegenüber jedem mögliehen Widerstandswert des spannungsabhängigen Widerstandes 7, so daß nahezu keine Wechselspannung am Kondensator 8 auftritt), ist dann gleich Null, so daß dem Kondensator 8 im Mittel keine Ladung vom Wechselstrom zugeführt wird. Von einer Gleichrichterwirkung kann daher,in diesem Fall keine Rede sein.

Wird nach der Erfindung am spannungsabhängigen Widerstand 7 eine Vorspannung angelegt, so schwankt die Wechselspannung nicht mehr um Srdpotential, sondern um das durch die Vorspannung bedingte Potential. Wie oben erklärt, ist die Spannung an der Anzapfung negativ gegenüber dem Verbindungspunkt des Widerstandes 7 und des Kondensators 8, Da am Kondensator 8 ke,ine Wechselspannung auftritt, l^st die Vorspannung Vy_DR als negative Vorspannung für den spannungsabhängigen Widerstand 7 zu betrachten.

,So ist in Fig. 2 vorausgesetzt, daß be i einer Wechselspannung am spannungsabhängigen Widerstand 7 mit einer Amplitude V eine durch die Gleichspannung V bedingte Vorspannung V_VDR = V_Q vorhanden ist. Die Wechselspannung mit der Amplitude ν schwankt daher zunächst um einen durch die Linie 11 wiedergegebenen Wert V_Q. Infolge der Vorspannung V_n allein würde ein Strom I_n fließen. Infolge der angelegten Wechselspannung V ergibt sich Jedoch zusätzlich ein Wechselstrom, der durch die Kurve I- in Fig. 2 dargestellt ist. Dieser Wechselstrom I» hat gegenüber den Werten, die den Nulldurchgängen der angelegten Spannung ν entsprechen, einen in negativer Richtung verschobenen Mittelwert; das bedeutet, daß dem Kondensator 8 eine negative Ladung zugeführt wird. Infolge des Anlegens der Vorspannung ergibt sich für die Wechselspannung von der Anzapfung 6 also eine Gleichrichter- * wirkung, durch die dem Kondensator 8 eine negativere Spannung •gegeben wird_? und die am Kondensetor ursprünglich vorhandene positive Gleichspannung V wird so verringert. Entsprechend wird auch die Vorspannung für das Element 7 auf einen Wert V₀ ¹ herab-

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gesetzt, so daß die Wechselspannung schließlich in der in Fig. gestrichelt dargestellten Lage auftritt.

Daß der von der gleichgerichteten Wechselspannung hervorgerufene Anteil tatsächlich von der Spannung V subtrahiert werden muß, läßt sich auch wie folgt einsehen. Wenn die Anzapfung 6 positiv ist gegen Erde, hat der Wechselstrom die Neigung, von der Anzapfung 6 über das Widerstandselement 7 und den Kondensator 8 nach Erde zu fließen. Dies ist ein positiv gerichteter Strom, der dem Kondensator 8 gleichsam positive Ladung zuführt.

Der Strom I_Q infolge der Gleichspannung V ist von der Drossel spule j5 her über den Ohmschen Widerstand 9> den spannungsabhängigen Widerstand 7 und dit Anzapfung 6 nach Erde gerichtet. Der Strom I_Q told der positive Teil des Wechselstromes I sind also im spannungsabhängigen Widerstand 7 entgegengesetzt gerichtet und wirken einander entgegen.

Ist die Anzapfung 6 negativ gegen Erde, so sind der Wechselstrom und" der Strom I₀ im spannungsabhängigen Widerstand 7 gleichgerichtet, und Iq und der negative Teil des Wechselstromes I unterstützen einander. Wegen der nichtlinearen Kennlinie des Elementes 7 ist der durch die negative Wechselspannungs-Halbwelle hervorgerufene Strom wesentlich größer als der durch die positive Halbwelle bewirkte Strom, so daß im Mittel ein negativer Strom fließt, der³ gegenüber dem durch die Vorspannung V allein bedingten, im Element 7 die gleiche Richtung aufweisenden Strom einen höheren Wert hat. Dem Kondensator 8 wird daher Ladung entnommen, bis bei einer geringeren Kondensatorspannung V wieder Gleichgewicht besteht.

Aus dem Vorhergehenden folgt, daß die Wirkung unverändert bleibt, wenn der Kondensator 8 und der spannungsabhängige Widerstand 7 gegenseitig vertauscht werden. Zwar ist in diesem Falle der positive Teil des Wechselstromes durch die Reihenschaltung des Kondensators 8 und des Widerstandselementes 7 vorherrschend, aber dieser fi wird auch jetzt wieder die Neigung haben, die von der Vorspannung V herbeigeführte Ladung zu verringern.

^r ' BAD ORIGINAL

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-β-

Solange die Spannung V gering ist, wird, bei zunehmender Gleichspannung V die Spannung V„_DR am spannungsabhängigen Widerstand J in stärkerem Maße zunehmen als die Spannung V - V_VDR am Ohmschen Widerstand 9. Daraus folgt, daß bei wenig zunehmender Spannung V die Vorspannung V_V_._R und daher auch die positive Spannung V am Kondensator 8 schneller zunimmt als der negative Spannungsteil, der durch Gleichrichtung der Wechselspannung "zwischen der An zapfung 6 und Erde mit Hilfe des spannungsabhängigen Widerstandes 7 und des Kondensators 8 entsteht] es muß erst eine gewisse Vorspannung "Vy_DR aufgebaut sein, bevor von einer Gleichrichtung mittels des zuletztgenannten Teiles der .Schaltung die Rede sein kann.

Bei weiterer Zunahme von V aber nimmt V_VDR und also V in stets geringerem Maße zu, und der gleichgerichtete Spannungsanteil wirkt sich deutlicher aus.

Bei dem der Fig. 2 zugrundeliegenden Au s führung s bei spiel war die Spannung am spannungsabhängigen Widerstand J durch V,_mi5 = CI

-ß

gegeben, wobei ß = 0,2 und σ = 200 Volt Amp waren. Der Widerstand 9 hatte einen Wert von 100 kOhm. Der Punkt 6 war eine Mittelanzapfung, so daß die Amplitude der Wechselspannung an diesem Punkt die Hälfte der Amplitude der Wechselspannung an der ganzen Sekundärwicklung des Transformators 1 betrug. BeI₁ Spitzengleichrichtung mittels der Diode 2 und des zugeordneten Glättungsnetzwerkes ergab sich für die Gleichspannung V ein Wert von 25 Volt, während V an der Anzapfung β 12,5 Volt betrug. Der durch die Gleichspannung allein hervorgerufene Strom I_Q betrug -0,02 mA, wobei am Kondensator 8 eine Spannung von 25,0 Volt auftrat. Durch die Gleichrichtung der zugeführten Wechselspannung wurde der Strom nach größeren negativen Werten verschoben, wobei sich die Spannung V am Kondensator 8 verminderte.

Die resultierende Spannung V am Kondensator 8 als Punktion der' Netzspannung V . an der Primärseite des Transformators 1 ergibt schließlich die in Pig» J> dargestellte Kurve 12. In der Umgebung' der Kondensatorspannunv V- zeigt diese Kurve einen abfallenden -Verlauf.

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Man kann nun die endgültige Ausgangs spannung V_ der Anzapfung 13 am Widerstand 9 entnehmen. Wenn die verschiedenen Elemente der * Schaltung nach Pig. 1 derart gewählt werden, daß zu der nominalen Netzspannung V_nom eine Spannung V_rl gehört, die auf dem abfallenden Ast der Kurve 12 liegt, so ist es einleuchtend , daß bei richtiger Lage der Anzapfung 13 die Spannung V_ bei sich ändernder Netzspannung V. konstant bleibt; denn eine Zunahme der Spannung V führt dann zu einer gleich großen Abnahme der Spannung V und umgekehrt.

Die richtige Lage der Anzapfung 13 kann wie folgt berechnet werden.

Hat der Teil des Widerstandes 9 zwischen der Anzapfung 13 und dem Kondensator 8 einen Widerstandswert von R, Ohm und der andere Teil einen Widerstandswert von R₂ Ohm, so kann für die entnommene Gleichspannung V geschrieben werden:

V R₁ + V_rl

R₁ 4

Nimmt die Spannung V um einen Betrag AV zu, so nimmt die Spannung V_rl um einen Betrag - Δν_Γΐ ab. Für die ÄnderungAV₌ der entnommenen Spannung V_ kann daher geschrieben werden:

R₁ AV - R₂

R₁₊R₂

Daraus folgt, daß Δν_ = 0 ist, wenn R₁AV = R₂AV ■, ist oder

Durch eine solche Wahl des Widerstandes 9, daß sein ohmscher Wert klein ist gegenüber dem Wert des Widerstandselementes 7 bei verhältnismäßig kleiner Oleichspannung V, jedoch groß ist gegenüberdieeem Wert bei verhältnismäßig großer Gleichspannung V, so ist

-8-

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bei sich ändernder Netzspannung V_net der abgallenden Art der Kurve 12 über einen großen Bereich eine gerade Linie. Das Verhältnis V ist daher in diesem Bereich als nahezu konstant zu be-

trachten, so daß die im Ausdruck (l) gefundene Bedingung in. diesem Bereich erfüllt werden kann.

Ist daher das Verhältnis zwischen dem Widerstandsteil (R,) des Widerstandes 9 zwischen der Anzapfung Ij5 und dem Kondensator 8 und dem Uiderstandsteil (Rg) zwischen der Anzapfung IjJ und der Drosselspule 3 gleich dem Verhältnis zwischen der Sp'annungsänderung V der Spannung V und der Spannungsänderung V- der Spannung V ,, so ist im erwähnten Bereich V_ =0. Mit anderen Worten, in diesem Falle ist im erwähnten Bereich die entnommene Gleichspannung V_ konstant.

Auch kann die Anzapfung 13 derart gewählt 'werden, daß die Spannung V_ bei zunehmender Netzspannung abnimmt (Anzapfung 13 näher am Verbindüngspunkt des Widerstandes 9 und des Kondensators 8) oder bei zunehmender Netzspannung zunimmt (Anzapfung IJ> näher am Verbindungspunkt des Widerstandes 9 und der Drosselspule 3)·

Es ist einleuchtend, daß durch Umkehrung der Diode 2 eine resultierende negative Spannung V mit einem ähnlichen Verlauf wie durch die Kurve 12 dargestellt, erreicht werden kann.

Das Widerstandselement 7 mit einer nichtlinearen Stromspannungs-Kennlinie braucht nicht immer als spannungsabhängiger Widerstand ausgebildet zu sein. So wäre auch ein Widerstandselement mit einem! stark negativen Temperaturkoeffizienten zu diesem Zweck verwendbar. Jedoch muß dann die Frequenz der verwendeten Wechselspannung so niedrig liegen, daß die Widerstände mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, die meist träge sind, der Wechselspannung folgen können. Das Element ¹J kann auch als eine Diode ausgeführt sein, deren Anode mit dem Kondensator 8 und deren Kathode mit der Anzapfung verbunden ist. - .

Patentansprüche:

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Claims

Patentanspruchs

1. Schaltungsanordnung zum Gewinnen einer Gleichspannung, deren Wert mit zunehmender Amplitude einer einem nichtlinearen Element und einem Kondensator zugeführten symmetrischen Wechselspannung abnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (7) eine wenigstens annähernd symmetrische Stromspannungs-Kennlinie aufweist und daß dem Element eine Vorspannung zugeführt wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt zwischen dem nichtlinearen Element (7) und dem Kondensator (8) über einen Ohmschen Widerstand (9) verbunden ist mit einer Gleichspannung (V), die an der Reihenschaltung des Ohmschen Widerstandes (9) und des Widerstandselementes (7) liegt.

3· Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung (V) durch Gleichrichtung einer Wechselspannung erzielt ist, deren Amplitude proportional zu der Amplitude der Wechselspannung ist, die der Reihenschaltung des nichtlinearen Elementes (7) und des Kondensators (8) zugeführt wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch ^, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung größer ist, vorzugsweise das Doppelte beträgt, im Vergleich zur Amplitude der Wechselspannung.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die gewonnene Gleichspannung einer Anzapfung des Widerstandes (9) entnommen wird, durch den dieser in einen mit dem Kondensator (8) verbundenen Teil (R.) und in einen mit der Gleichspannung (V) verbundenen Teil (Rp) unterteilt wird, und daß bei Änderung der zugeführten Wechselspannung in einem Bereich um den Nominalwert gilti

V =

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[nterlagen {Art. 7 & I Aba. 2 Nr. I Satz 3 des Änderungsges. v. 4.9.196 Γ)

wobei V die Zunahme der Gleichspannung -(V) und V die Abnahme der Spannung V am Kondensator (8) darstellt, .so daß die an der Anzapfung entnommene Gleichspannung (V_) in dem erwähnten Bereich konstant ist.

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