DE1951296B2 - Nullspannungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Nullspannungsschalter, wie er im Oberbegriff des Anspruchs vorausgesetzt ist. Ein solcher Nullspannungsschalter ist bekannt (Electronics, Heft vom 21. August 1967, Seiten bis 86).

Bei der Verwendung von Wechselstromsteuerschaltungen liegt eines der häufig auftretenden Hauptprobleme im Aufbau eines Nullspannungsschalters, d. h. einer Schaltsignale liefernden Schaltung, die an den Minimumwerten der Netzwechselspannung ein- und ausschaltet. Eine derartig arbeitende Schaltung, bei welcher das Auftreten von Schaltübergangsschwingungen und die dadurch ausgelösten elektrischen Störungen vermieden werden, läßt sich besonders gut zur Ansteuerung von Lasten mit magnetischen Eigenschaften verwenden, die nur mit einer ganzzahligen Anzahl von Wechselspannungsperioden gespeist werden dürfen, damit Sättigungsprobleme vermieden werden.

Eine Schwierigkeit, die häufig bei der Verwendung von Wechselspannungssteuerschaltungen auftritt, insbesondere bei Steuerschaltungen mit Thyristoren, die mit Phasenanschnittsteuerung betrieben werden, liegt in der Synchronisierung des Betriebs einer gleichspannungsgesteuerten Zeitkonstantenschaltung mit der Netzwechselspannung. Auch dort ist ein Nullspannungsschalter verwendbar.

Bei dem eingangs genannten bekannten Nullspannungsschalter wird der zweite Transistor von einem dritten Transistor angesteuert. Dieser wird während der Mulldurchgänge der Wechselspannung gesperrt, indem seine Emitter-Basis-Strecke an den Gleichspannungsausgang eines an der Wechselspannung liegenden Doppelwegbrückengleichrichters geschaltet ist. Wenn S die Wechselspannung in die Nähe des Wertes Null kommt, ist auch die Ausgangsspannung des Gleichrichters nahe bei Null, so daß der dritte Transistor gesperrt wird und keinen Kollektorstrom an den zweiten Transistor liefert. Der dritte Transistor ist von einem

ίο anderen Leitungstyp als die beiden anderen Transistoren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Nullspannungsschalter der eingangs genannten Art den Bauelementen- und Schaltungsaufwand zu verringern.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs gelöst.

Die Erfindung bringt gegenüber dem eingangs genannten bekannten Nulispannungsschalter den Vorteil, daß ein Transistor und vier diesem zugeordnete

ίο Dioden eingespart werden.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Darstellungen von Ausführungsbeispiejen näher erläutert. Es zeigen
die F i g. 1 und 2 Schaltbilder von nach der Erfindung aufgebauten Nullspannungsschaltern und

die F i g. 3, 4 und 5 weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Nullspannungsschalters bei verschiedenen Anwendungen.
Gemä3 F i g. 1 sind ein erster Transistor 10 und ein zweiter Transistor 20 so zusammengeschaltet, daß der Kollektor 11 des ersten Transistors 10 mit der Basis 22 des zweiten Transistors 20 verbunden ist. Ferner ist der Kollektor 11 des Transistors 10 über einen ersten Widerstand 15 mit einer ersten Spannungsklemme 14 verbunden, welche an eine nicht dargestellte Wechselspannungsquelle, beispielsweise die Netzspannung, angeschlossen werden kann. Die Basis 12 des Transistors 10 liegt über einen zweiten Widerstand 16 ebenfalls an der Klemme 15, ferner liegt sie über einen dritten Widerstand 17 am Emitter 13 des Transistors 10. Der Kollektor 21 des Transistors 20 liegt über einen vierten Widerstand 25 und die Basis 22 des Transistors 20 über einen fünften Widerstand 26 an einer zweiten Klemme 24, die ein Gleichspannungspotential führt, aufgrund dessen der Transistor 20 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Der Emitter 13 des Transistors 10 und der Emitter 23 des Transistors 20 liegen an einem Bezugspotentialpunkt 34. Da die Transistoren gemäß Fig. 1 NPN-Transistoren sind, liegt an der Klemme 24 eine positive Spannung.

Wenn im Betrieb die Netzspannung an der Klemme 14 positiv wird, dann wird der Transistor 10 in seinen leitenden Zustand geschaltet und schließt die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 20 kurz. Wird andererseits die Netzspannung an der Klemme 14 negativ, so wird der Transistor 20 wegen des Stromflusses durch den Widerstand 15 über die Basis-Kollektor-Strecke des Transistors 10 gesperrt gehalten. Wird die Spannung an der Klemme 14 jedoch Null, dann wird der Transistor 20 in seinen leitenden Zustand geschaltet, da ihn der Strom durch den Widerstand 26 in Durchlaßrichtung zu schalten sucht. Dabei wird gemäß F i g. 1 an der Klemme 44, welche mit dem Kollektor 21 des Transistors 20 verbunden ist, immer dann ein negativ gerichteter Ausgangsimpuls erzeugt, wenn das Potential an der Klemme 14 Null wird.

Die Schaltung nach F i g. 2 arbeitet in gleicher Weise wie die nach Fig. 1. Jedoch ist der Ausgangsimpuls

positiv gerichtet und wird vom Emitter 23 des Transistors 20 abgenommen, so daß ihm keine Gleichspannung überlagert ist.

F i g. 3 zeigt einen Anwendungsfall der Erfindung zur Phasensteuerung des Zündeinsatzes eines Triacs, welcher zur Stromversorgung eines Universalmotors verwendet wird, wobei die Drehzahl mit Hilfe eines Rückführungssignals geregelt wird.

An der Bezugsklemme 24 in Fig.3 liegt eine praktisch konstante Gleichspannung, welche von der aus einer Diode 32, einem Widerstand 33 und einem Kondensator 36 bestehenden Gleichspannungsquelle geliefert wird. Ein einstellbarer Widerstand 38 und ein Kondensator 40 bilden ein KC-Zeitkonstantenglied, welches die Triggerimpulse an die Steuerelektrode 52 des Triacs 50 übt;r ein Triggerdiac 54 in Abhängigkeit der /fC-Zeitkonstanten und dem an dieser von der Bezugsklemme 24 her gelieferten, anstehenden Spannung dient. Zur Koordinierung des Betriebs des Triacs 50 mit der Netzspannung ist es wichtig, daß die Funktion der Zeitkonstantenschaltung 38, 40 mit der Netzspannung synchronisiert wird, so daß der Ladezyklus des Kondensators 40 bei jedem Null-Durchgang der Netzspannung wieder beginnt. Dies erfolgt mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltung.

Im Betrieb wird die Bezugsklemme 24 auf einem praktisch konstanten Gleichspannungspegel gehalten. Der Kondensator 40 lädt sich über den einstellbaren Widerstand 38 in Abhängigkeit von dem Gleichspannungspegel an der Klemme 24 auf. Hat er sich auf eine Spannung aufgeladen, die ausreichend hoch ist, so daß die Spannung an der Klemme 44 zum Einschalten des Diacs 54 ausreicht, dann wird der Triac 50 in seinen leitenden Zustand geschaltet, wobei die Last 60 für den Rest der Halbwelle der Wechselspannung an die Netzspannung gelegt wird. Die der Last 60 zugeführte Leistung läßt sich leicht durch Veränderung der Einstellung des Widerstandes 38 variieren, wobei die Zeitkonstante der ÄC-Schaltung verändert wird. Im Idealzustand wiederholt sich dieser Prozeß in jeder Halbwelle und beginnt mit dem Null-Durchgang der Netzspannung. Zur Sicherstellung des richtigen Betriebs der Schaltung ist es jedoch wichtig, daß der Kondensator 40 am Ende jeder Halbwelle praktisch auf Null entladen wird, so daß der Einschaltzeitpunkt des Triacs im Verhältnis zum Phasenwinkel der Netzspannung konstant gehalten werden kann. Diese Funktion übt der Transistor 20 aus.

Wie bereits im Zusammenhang mit den F i g. 1 und 2 erläutert worden ist, wird der Transistor 20 jedes Mal in seinen leitenden Zustand geschaltet, wenn das Potential an der Klemme 14 Null erreicht. Daher wird in F i g. 3 bei jedem Null-Durchgang der Netzspannung der Transistor 20 in seinen leitenden Zustand geschaltet, und der Kondensator 40 wird über die Kolle.ktor-Emitter-Strecke dieses Transistors auf Null entladen.

In der Schaltung nach F i g. 3 bilden der Transistor 30, die Widerstände 56,58,61, 62 und 64, der Kondensator 66 und die Diode 68 einen Rückkopplungskreis, welcher den durch die Last fließenden Strom abfühlt und jegliche Änderungen durch eine Veränderung der Größe des das ÄC-Zeitkonstantenglied durchfließenden Stromes kompensiert und dadurch den Einschaltzeitpunkt des Triacs während der nachfolgenden Halbwellen beeinflußt. Ein Widerstand 70 und ein Kondensator 72 bilden ein ÄC-Glied, welches infolge des induktiven Charakters der Last erforderlich ist.
Fig.4 stellt eine ohne Rückführung arbeitende Speiseschaltung für einen Induktionsmotor dar, welche die erfindungsgemäßen Merkmale aufweist. Die Betriebsweise dieser Schaltung gleicht der nach Fig.3, jedoch sind die Widerstände 15 und 16 in F i g. 4 an das lastseitige Ende des Triacs 15 und 16 in Fig.4 an das lastseitige Ende des Triacs 50 anstatt an die Netzspannung, also die Klemme 14, angeschlossen, wie es in F i g. 3 der Fall ist. Dadurch wird ein besonderer Vorteil bei der Verwendung induktiver Lasten erreicht, da die Fühlwiderstände 15 und 16 ihre Signale unmittelbar von der Last ableiten. Dies ist wichtig, da der eine induktive Last durchfließende Strom der Versorgungsspannung wegen des niedrigen Leistungsfaktors beträchtlich nacheilen kann. Bei der Schaltung nach F i g. 4 ist daher die Entladung des Kondensators 40 auf die Null-Durchgänge des Laststromes bezogen anstatt auf die Null-Durchgänge der Speisespannung.

Fig.5 stellt eine Schaltung zur Steuerung eines Heizgerätes dar, bei welcher eine mit vollständigen Halbwellen arbeitende Proportionalsteuerung mit. synchroner Schaltung erfolgt. Der Transistor 20 liefert über einen Transistor 80 synchron zu den Null-Durchgängen der Netzspannung kräftige Stromimpulse an die Steuerelektrode 51 des Triacs 50. Ein Transistor 90 dient, wenn er sich in der Sättigung befindet, der Ableitung dieser Triggerimpulse von der Steuerelektrode 51 des Triacs 50. Der Leitungszustand des Transistors 90 wird durch das Tastverhältnis der Ausgangsimpulse eines Multivibrators 100 bestimmt. Durch Verändern des Tastverhältnisses dieser Ausgangsimpulse mit Hilfe des Potentiometers 102 des Multivibrators 100 läßt sich die Anzahl der Halbperioden, während derer der Triac 50 leitet, verändern. Der Triac 50 läßt sich bei der Schaltung nach F i g. 5 nur zu Anfang jeder Halbperiode der Wechselspannung in den leitenden Zustand schalten, wenn der Transistor 90 nicht leitet. Er bleibt bis zum Ende der unmittelbar auf das Einschalten des Transistors 90 in die Sättigung folgenden nächsten Halbperiode leitend.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Nullspannungsschalter mit einem nur in den Nulldurchgängen einer Wechselspannung leitenden Transistor, dessen Emitter-Kollektor-Strecke in einem eine Gleichspannungsquelle und Ausgangsanschlüsse aufweisenden Gleichstromkreis liegt, wobei die Gleichspannungsquelle und die Wechselspannung einseitig an einem gemeinsamen Bezugspotential liegen, und mit einem zweiten, nur in den Nulldurchgängen der Wechselspannung gesperrten Transistor, der vom gleichen Leitungstyp wie der erste Transistor ist und dessen Kollektor mit der Basis des ersten Transistors zur Sperrung des ersten Transistors während der Zeit zwischen den Nulldurchgängen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß an die Wechselspannung die Reihenschaltung der Kollektor-Emitter-Strecke eines zweiten Transistors (10) und eines ersten Widerstandes (15) und parallel zu dieser Reihenschaltung ein Spannungsteiler aus einem zweiten und dritten Widerstand (16, 17) angeschlossen ist, wobei der Emitter (13) des zweiten Transistors (10) an dem Bezugspotential (34) und seine Basis (12) an dem Abgriff des Spannungsteilers liegen, daß der Emitter (23) des ersten Transistors (20) ebenfalls an dem Bezugspotential (34) liegt und sein Kollektor über einen vierten Widerstand (21) an dem anderen Pol (24) der Gleichspannungsquelle liegt, mit dem auch die Basis (22) des ersten Transistors (20) über einen fünften Widerstand (26) von solcher Bemessung verbunden ist, daß der über diesen Widerstand (26) zugeführte Basisstrom zum Leitendsteuern des ersten Transistors (20) während der Nulldurchgänge der Wechselspannung ausreicht.