DE2119950C3 - Funk-Entstördrossel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Funk-Entstördrossel mit einem Kern aus mindestens zwei axial übereinandergestapelten, ringförmigen Teilkernen, von denen der eine aus Blech-, der andere aus Ferritmaterial besteht, und mindestens einer darauf aufgebrachten Wicklung.

In der modernen Technik werden zur Steuerung tier Energieaufnahme vun Wechselstromvcrbrauchern. wie Glühlampen, Leuchtstoffröhren, Motoren usw., in zunehmendem Maße steuerbare Halbleiterbauelemente, wie Thyristoren oder Triac, eingesetzt. Fine besonders einfache Schaltung /uir kontinuierlichen Regelung tier Leistungsaufnahme ist die sogenannte Phascnanschniltschultung, die mit besonders wenigen Bauelementen realisiert werden kann.

Hin bedeutender Nachteil der Phascnanschnittsclialtuiig besteht jedoch tiarin, daß in dem Augenblick, in dem das steuerbare Halbleiter-Bauelement vom hocliuhmitH η in den niedciohmigcn Zustand schallet, sein starke I imkslomngen er/.eugt werden. Beim Einschalten des Stiomkrciscs spring! nämlich der Strom innerhalb etwa einer Micmstkundc von 0 auf seinen Endwert. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch bei jeder Halbwelle der Netzspannung. Die Höhe der entstehenden Funktstörungen im Bereich der technischen Rundfunkfrequenzen ab 150 kHz ist abhängig von der Höhe des Stromsprunges und von seiner Steilheit. Da die Höhe des Strom-Sprunges durch die äußeren Bedingungen, wie Netzspannung, Wirklast und Anschnittwinkel, festgelegt

ίο ist, besteht demnach nur noch die Möglichkeit, die Steilheit des Stromsprunges zu verringern. Hierzu wird in Serie zu dem steuerbaren Halbleiter-Bauelement eine Induktivität geschaltet. Zur Einhaltung der gesetzlichen Bestimmungen über die Funkentstörung

wird dann noch zusätzlich ein Querkondensator zugeschaltet, so daß man die übliche LC-Kombination erhält.

Eine solche Entstörkoinbinalion verringert zwar die Funkstörungen, bringt jedoch eine weitere Schwierig-

keit mit sich. Im durchgeschalteten, niederohmigen Zustand des Halbleiter-Bauelementes bilden die Drossel und der Kondensator einen Parallelschwingkreis, der im Takt seiner Resonanzfrequenz, die auf Cirund der geforderten Entstörwirkung und der damit

im Zusammenhang stehenden Größe der Bauelementewerte im Bereich zwischen 5 und 15 kH/ liegt, einen zusätzlichen Strom durch das Halbleiter-Bauelement treibt. Dabei kann es passieren, daß sich der Netzwechsclstrom und der Ausgleichsstrom momentan fast zu 0 ergänzen, so dab in diesem Augenblick das Halbleiter-Bauelement vom niederohmigen in den hochohmigen Zustand zurückschaltet, da sein Haltestrom unterschritten wird. Liegt an der Torelektrode des steuerbaren Halbleiter-Bauelements noch das Zündpotential, dann schaltet das Halbleiter-Bauclement nach Abklingen des Ausgieichsstromes wieder in den niederohmigen Zustand zurück, wobei neuerdings Funkstörungen hervorgerufen werden.

Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch, da bei jedem Wiedereinschalten des Halbleiter-Bauelements auch die LC-Kombination erneut zu Schwingungen angeregt wird. Liegt jedoch kein Zündpotential mehr an der Steuerelektrode des Halbleiter-Schaltelements, so bleibt sein hochohmiger Zustand

«5 auch nach Abklingen des Ausgleichsstromes erhalten, wodurch aber auch der Leistungsübergang vom Netz in den Verbraucher unterbrochen bleibt. In beiden Betriebsfällen ist somit durch die unumgänglich nötige Zuschaltung der Hntstör-Bauelemcntc die einwandfreie Funktion des Halbleiter-Schaltelements nicht mehr gewährleistet.

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten muß man dafür sorgen, daß die relativ niederfrequenten Ausgleichsschwingungen der Entstörkombination mögliehst rasch abklingen, ohne daß die Entslönvirkung bei hohen Frequenzen, d. h. bei den technischen Rundfunkfrequenzen zwischen 150 kHz und etwa 300 MHz, verschlechtert wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgäbe zugrunde, eine Funk-Enlstördrosscl für Phasenanschnittschaltungen mit Ilalbleiter-Bauelementen anzugeben, die den steilen Slromsprung beim Durchsehalten des Halbleiter Bauelementes verlangsamt, die die entstehenden Funkstörungen verringert und tlie die im niederohmigen Zustand des Halbleiter-Bauelements auftretenden Ausgleichsströme zwischen Entstörkondcns 1 tor und Drossel dämpft, ohne dabei jedoch den FIuW der elektrischen I eistung vom

Net/, zum Verbraucher unnötig zu behindern.

Diese Aufgabe wird bei einer eingangs genannten Funk-Entstördrossel dadurch gelöst, daß der Ferrit-Teilkern einen Luftspalt aufweist und daß der Bicch-Teilkcrn aus unlegiertem Eisenblech besteht.

Damit ergeben sich die Vorteile, daß billiges Blecliinalerial mit hoher Siittigungsinduktioii und uairtit geringerem Kernvolumen verwendet werden kann, das die Aus^leichsslröme der Entstörkombination hinreichend dämpft, so daß ein größerer Kondensator verwendet werden kann, und daß die nichiiinearen Eigenschaften des Blechmaterials durch das Ferritmaterial kompensiert werden. Es hat sich herausgestellt, daß die für die Wirkung von Entstördrosseln interessierenden Eigenschaften der handelsüblichen Elektrobleche stark streuen, da die genormten Kenndaten nur auf die Verwendung bei ^O Hz abgestellt sind, wahrend es bei der vorliegenden Aufgabe auf die magnetischen Eigenschaften bei Impulsbeanspruchung ankommt. Diese Werte werden jedoch von den Herstellern der handelsüblichen Bleche nklii geprüft. Es hat sich nun überraschenderweise herausgestellt, daß durch einen Luftspalt im Ferritring die unterschiedlichen Eigenschaften des Blechmaterials ausgeglichen werden können.

Aus der deutschen Patentschrift °-75 437 ist bereits eine Entstördrossel der Ringkern-Bauart mit zwei Teilkernen bekannt, bei denen der eine Teil! ern aus magnctisierbareni Eisenblech, der andere Teilkern aus Ferritmaterial besteht. Diese bekannte Entstördrossel erfüllt jedoch im Gegensatz zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, die Frequenzabhängigkeit der Permeabilität des Drossel kerns über einen möglichst weiten Frequenzbereich zu kompensieren. Eine technische Lehre zum Bau einer Drossel zur Entstörung von Phasenanschniltschaltungen mit gesteuerten Halbleiterbauelementen enthält diese Patentschrift jedoch nicht.

In der deutschen Offenlegungsschrift 2 058 5(W, die einen älteren Vorschlag für eine Funk-Entstördrosscl für Phasenanschnittschaltungen mit gesteuerten Halbleiterbauelementen enthält, wird für den Blech-Teilkern ein mit Silizium legiertes Eisenblech und für 'cn Ferrit-Teilkern ein luftspaltfreier Ferritring ganz bestimmter Zusammensetzung verwendet. Die Möglichkeit, unlegiertes Eisenblech einzusetzen und zum Ausgleich den Ferritring mit einem Luftspalt zu versehen, ist auch in diesem älteren Vorschlag nicht enthalten

Vorzugsweise ist das Material für den B'ech-Teilkern Tiefziehblech. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß derartiges Blcchmaterial, von dessen Verwendung in Drosseln für Wechselstrom in der Elektrotechnik bisher abgeraten worden ist, überraschenderweise für die Herstellung von Funk-Entstördrosseln besonders geeignet ist. Es ist außerdem wesentlich billiger als das übliche Elektroblech und läßt sich auch leichter bearbeiten.

Vorzugsweise ist der eine Teilkern aus Blechringen zusammengesetzt. l^:s ist jedoch auch möglieh, einen Baiulriugkern zu verwenden.

Um die Geräuschentwicklung ilcs Keines infolge seiner Magnetostriktion gering zu hallen, ist es zweckmäßig, den Kern nicht völlig diirchtreniiend /u schlitzen. Hier/u wird der l-crrit-Teilkern von der Innen seite her eingeschnitten.

Der luftspalt ist vorzugsweise radial gerichtet. Auch kann der Icrrit-Teilkein mehrere über seinen Umfang verteilte Luftspalte besitzen, die das Kernmaterial nicht völlig durchtrennen.

Vorzugsweise ist das Verhältnis der wirksamen Querschnitte von Ferritkern zu Blechkern nicht größer als 1:1. Dadurch bleiben die Kosten der erfindungsgemäßen Funk-Entstördrossel niedrig.

Bei einer erfindungsgemäßen Funk-Entstördrossel tür einen Strom 13 von 2,5 A, bei der der Kern einen Außendurchmesser von 34 mm und einen Innendurchmesser von 20 mm besitzt, der Ferritring 3 mm hoch ist und der Kernquerschnitt des Ferritringes ein Drittel des gesamten Kernquerschnitts ausmacht, hat sich ein Luftspalt von 0,2 bis 0,3 mm Breite als vorteilhaft erwiesen.

»5 An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt in geschnittener Darstellung eine ringförmige Funk-Entstördrossel. Der Drosselkern J besteht aus einem Teilkern 2 aus 17 Blechringen und so aus einem Teilkern 3 aus Ferrit. Der Ferrit-Teilkern 3 weist eine Höhe von 3 mm auf und !.ein wirksamer Querschnitt macht ein Drittel des gesamten Querschnitts des Drosselkernes I aus. Der Drosselkern 1 liegt in einem mit einem Deckel 7 verschlossenen Be- »5 eher 4 auf Erhebungen 5 auf dem Becherboden auf, die einstückig mit Lamellen 11 an den Wänden des Bechers 4 verbunden sind. Durch den zwischen den Erhebungen 5 verbleibenden Gang hat sich nach dem Aushärten elastisch bleibendes Gießharz 6, dem zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit etwa 40% Quarzmehl beigefügt sind, über den Becher verteilt. Es füllt die Räume zwischen den Lamellen 11 aus und ist zwischen die Blechringe des Teilkernes 2 und zwischen die Teilkerne 2 und .1 eingedrungen, wodurch eine gute Geräuschdämpfung erreicht wird. Den mit dem Deckel 7 verschlossenen Becher 4 umschließt eine zweilagige Wicklung 8 aus isoliertem Kupferdraht, die nach der ersten Lage ihre Wickelrichtung, nicht aber ihren Wickelsinn ändert, so daß der Wicklungsanfang 9 nicht überwickelt ist. Mit 10 ist das Wicklungsende gekennzeichnet. An einer beliebigen Stelle ist in den Teilkern 3 ein Luftspalt von 0,2 bis 0.3 mm Breite eingeschliffen.

F ig. 2 zeigt Magnetisierungskurven einer Drossel, deren Kern aus 17 Ringscheiben aus Elektroblechmaterial zusammengesetzt ist. Auf der Ordinate eines rechtwinkligen Achsenkreuzes ist die magnetische Induktion S, auf der Abszisse die magnetische Feldstarke H aufgetragen. Außerdem sind die beiden statischen Remancnzpunkte 4 R_r und - B, eingezeichnet. Man erkennt eine schmale Hystereseschleife a und eine breite Hystereseschleife b. Die Kurve α mißt man bei einer 50 Hz folgenden Ansteuerung des Kernmatcnals, die Kurve b dagegen bei hochfrequcnter Ansteuerung (etwa 1 MHz). Eie Kurve c gibt die Verhältnisse wieder, wie sie sich bei der erfin dungsgemäßen Verwendung als Funk-Entstördrossel ergeben: Zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet sieh d;is Kernmaterial z. B in dem Remanenzpunkt ) W₁, solange das steuerbare Halbleiter-Bauelement hoehohmig ist. Wird das Halbleiter-Bauelement nun pi«'t/lieh niederohmig, so versucht der Strom innerhalb von ein bis zwei Microsekunden auf seinen Endwert zu springen. Dieser Endwert ist im allgemeinen so gioß, daß das Kcrnmatcrial in Sättigung gelangt. Infolge der großen Geschwindigkeit, mit der sich dabei die magnetische Feldstärke ändert, kann das Kernmalerial jedoch nicht die quasistutische Magne-

tisierungskurve α. sondern muli die Magnet isierungskurvc b durchlaufen. Diese Verhältnisse gilit die Kurve c wieder. Vom statischen Remanenzpunkt + Ii, ausgehend springt die magnetische Fclstärkc // um einen gewissen Betrag, ohne daß sich auch gleichzeitig die magnetische Induktion Ii ändert. Das heißt. in diesem kurzen Augenblick wird dem Strom fast kein induktiver Widerstand entgegengesetzt, die Drossel wirkt für kurze Zeit nur als Luftspule und ohmscher Widerstand und kann daher auch den Pulsanstieg nicht verzögern. Durch das erfindungsgemäße Hinzufügen eines geschlitzten Ferritringes ist es gelungen, dieses Verhalten wesentlich zu verbessern.

Γ i g. 3 zeigt eine typische Phascnanschnittschaltung zur kontinuierlichen Regelung der Leistungsaufnahme eines Verbrauchers. An die Netzanschlußklcmmcn wird die Netzwechselspannung von 22UV gelegt. Mit Hilfe eines Triac 7 wird die Leistungsaufnahme des Verbrauchers V gesteuert. In Serie zum Triac riiegteine Funk-Entstördrosscl D und parallel zu den Anschlußklemmen ein Entstörkondensator C. Um den Strom durch die Drossel T in einem Oszillographen O darstellen zu können, wurde ein kleiner Widerstand R zu der Drossel D in Reihe gelegt.

Fig. 4 zeigt in starker zeitlicher Dehnung die Einschaltvcrhältnisse der in Fig. 3 dargestellten Schaltung. In einem rechtwinkligen Achsenkreuz ist auf der Ordinate der Strom / durch die Drossel D, auf der Abszisse die Zeit I aufgetragen. Zunächst befindet sich der Triac Tim hochohmigcn Zustand. Zum Zeitpunkt f„ wird er in seinen nicderohmigen Zustand überführt. 1st keine Funk-Entstördrossel vorgesehen, so springt der Strom / innerhalb einer Microsekundc von U auf den Entwert /, entsprechend Kurve a. Man kann sich leicht vorstellen, daß bei einem derart steilen und hohen Sprung sehr starke Funkstörungen erzeugt werden.

Die Kurven />, < und d /eigen die Wirkung veischiedenei Funk-Entstördrosseln. Verwende! man eine Drossel, deren Kern lediglich aus Blechmaterial besieht, so ergibt sich die Kurve h.

Zum Zeitpunkt /„springt der Strom I von 0 auf einen Anfangswerl /,,,ähnlieh wie es in Fig. 2, Kurve < dargestellt ist. Von diesem Anfangswert ausgehend steigt dei Strom zunächst langsam an. bis im Zeitpunkt /, das Kernmaterial in Sättigung übergeht. Dem I.aststrom /, überlagert sich der Ausgleichssllrom zwischen der Drossel I) und dem Entstörkondensator C. Es folgt deshalb anschließend ein Oberschwingen des Drosselstromes über den Endwert /,. Dieser Ausgleiehsstrom klingt jedoch wegen der magnetischen

Verluste des Kernmaterials relativ schnell ab, so daß sich zum Zeitpunkt /, der Endweit /, einstellt.

Zur Aufnahme der Kurve c wurde dem Kern ein geschlossener Ferritring hinzugefügt. Man sieht sofort, daß der Anfangssprung des Stromes /, zum Zcitpunkt /„ etwa auf die Hälfte gegenüber /,, reduziert ist.

Zur Aufnahme der Kurve </ wurde der Ferrilring mit einem 0.3 mm breiten Luftspalt versehen. Hierdurch wurde der Anfangssprung des Stromes /₍, noch wesentlich weiter reduziert. Auch gelangt der Spulenkern nicht schon /um Zeitpunkt /,, sondern erst später zum Zeitpunkt I₁ in das Sätligungsgebiet, was zu einer weiteren Reduzierung der Funkstörung führt. Es hat sich herausgestellt, daß die Kurve d erhalten bleibt, auch wenn das in diesem Ausführungsbeispicl verwendete Elektroblech durch ein anderes, billigeres Blechmaterial ersetzt wird. Die Kurven b und r wurden sich dagegen bei einem Wechsel des Blechmaterials wesentlich ändern. Durch den erfindungsgemäßen Ferritring mit Luftspalt ist es also auf einfache Weise möglich, auch Qualitätsunterschiede des Blechmaterials auszugleichen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Palentansprüche:

1. Funk-Entstördrossel mit einem Kern aus mindestens zwei axial übereinandergestapelten, ringförmigen Teilkernen, von denen der eine aus Blech-, der andere aus Ferritmaterial besteht, und mindestens einer darauf aufgebrachten Wicklung, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferrit-Teilkern (3) einen Luftspalt aufweist und daß der Blech-Teilkern (2) aus unlegiertem Eisenblech besteht.

2. Funk-Entstördrossel nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für den Blech-Teilkern Tiefziehblech ist.

3. Funk-Entstördrossel nach den Ansprüchen 1 Und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Teilkern aus Blechringen zusammengesetzt :M.

4. Funk-Entstördrossel nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt radial verläuft.

5. Funk-Entstördrosscl nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Fcrrit-Tcilkern einen Luftspalt besitzt, der das Kernmaterial nicht völlig durchtrennt.

6. Funk-Entstördrossel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferrit-Teilkern mehrere über seinen Umfang verteilte Luftspalte besitzt, die das Kemmatcrial nicht völlig durchtrennen.

7. Funk-Entstördrossel nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der wirksamen Querschnitte vom Ferritkern zum Blechkern nicht größer ist als 1:1.

8. Funk-Entstördrosscl nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer 2,5-A-Drossel mit einem Außcndurchinesscr des Kerns (1) von 34 mm, einem Innendurchmesser von 20 mm, einer Höhe des Ferritringes (3) von 3 mm und einem Kernquerschnittsanteil des Ferritringes (3) von '/„ der Luftspalt 0,2 bis 0,3 mm breit ist.