DE3445875C1 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Kleinspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Kleinspannung, insbesondere einer Versorgungsspannung für Regel-, Steuer- und dergl.

-schaltungen in elektrischen Geräten, aus einer Wechselstromquelle, mit einer zwischen den beiden Klemmen der Wechselstromqueile angeoidneten, einen Spannungsteiler bildenden Reihenschaltung aus einem von einem Kondensator und einen ohmschen Widerstand gebildeten Vorwiderstand und einem Spannungsbegrenzerglied, wobei der Vorwiderstand direkt mit einer der Klemmen der Wechselstromquelle verbunden ist und die Kleinspannung am Spannungsbegrenzerglied abgegriffen wird und wobei der nicht mit dem Vorwiderstand verbundene, den Fußpunkt des Spannungsteilers bildende Anschluß des Spannungsbegrenzerglieds das Massebezugspotential bildet.

Eine derartige, in der Schaltungstechnik gebräuchliche Schaltungsanordnung dient dazu, aus einer Wechselstromquelle höherer Spannung mit nur geringem schaltungstechnischem Aufwand eine Kleinspannung zu erzeugen. Diese Möglichkeit bietet sich insbesondere dort an, wo eine galvanische Trennung der Kleinspannung vom Stromnetz, beispielsweise durch einen Transformator, nicht gefordert wird. Dabei ist die Erzeugung einer Kleinspannung grundsätzlich durch Verwendung eines entsprechend dimensionierten ohmschen Vorwiderstandes möglich. Jedoch fällt an diesem in der Regel eine so hohe Verlustleistung ab, daß eine solche Anwendung nichi nur unwirtschaftlich, sondern darüber hinaus wegen der starken Wärmeentwicklung ungeeignet ist. Vorteilhafter ist daher ein kapazitiver Vorwiderstand, dem meist ein kleiner ohmscher Widerstand in Reihe geschaltet ist, um den beim Einschalten des Geräts möglicherweise auftretenden Aufladestromstoß des Kondensators zu begrenzen und so eine Beschädigung des Spannungsbegrenzergliedes zu verhindern.

Eine derartige Schaltungsanordnung läßt sich daher beispielsweise zur Erzeugung der Versorgungsspannung einer Temperaturregelschaltung verwenden, die in Abhängigkeit des Temperaturistwertes ein Heizelement bedarfsweise ein- bzw. ausschaltet. Liegt hierbei das Heizelement in Reihe mit einem den Stromfluß steuernden Triac, der von der Regelschaltung angesteuert wird, so kann die die Kleinspannung erzeugende Schaltungsanordnung unmittelbar an den beiden Klemmen der Wechselstromquelle, hier also der Netzversorgung angeschlossen sein. Häufig ist jedoch der Einsatz eines Triacs unerwünscht, da er zum Zünden eine verhältnismäßig hohe Ansteuerleistung benötigt, ungünstige dynamische Eigenschaften hat und wegen seiner aufwendigen Struktur eine geringere Zuverlässigkeit und einen höheren Preis gegenüber einem Thyristor besitzt. Dem Nachteil des Thyristors, den Strom nur in einer Richtung leiten zu können, wird durch eine im Laststromkreis angeordnete Gleichrichterbrückenschaltung begegnet, in welcher der Thyristor an geeigneter Stelle seine Schaltfunktion wahrnimmt. Diese Gleichrichter-

brücke hat jedoch zur Folge, daß der Fußpunkt des Spannungsteilers nicht mehr direkt mit der Klemme der ,Wechselstromquelle, sondern vielmehr über eine Diode der Gleichrichterbrücke mit dieser verbunden ist Aufgrund dieser Diode kann, jedenfalls so lange der Thyristor nicht durchgeschaltet ist, im Spannungsteiler nur noch in einer Richtung Strom fließen, so daß der Kondensator im Vorwiderstand des Spannungsteilers nur noch in einer Polarität aufgeladen, nicht hingegen umgeladen werden kann. Somit fließt durch das Spannungsbegre-.izerglied kein Strom mehr, so daß an diesem auch kein Spannungsabfall mehr auftritt Diese bekannten Schaltungsanordnungen lassen sich somit in von Thyristoren geschalteten Gleichstromsystemen nicht anwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie auch in über Gleichrichterbrücken betriebenen Gleichstromsystemen anwendbar ist

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einem aus der Kleinspannung angesteuerten und aus der Wechselstromquelle durch eine Gleichrichterbrückenschaltung gespeisten Leistungsteil dem zwischen dem Fußpunkt des Spannungsteilers und der anderen Klemme der Wechselstromquelle liegenden, von einem der Brückenzweige gebildeten und den •Stromfluß durch das Spannungsbegrenzerglied nur in einer Richtung ermöglichenden Verbindungselement eine Reihenschaltung eines Kondensators (Ci) und eines ohmschen Widerstands (R 1) parallel geschaltet ist.

Der durch die Erfindung erreichte Fortschritt besteht im wesentlichen darin, daß durch die kapazitive Überbrückung des den Stromfluß nur in einer Richtung zulassenden Verbindungselement ein Stromfluß durch den Spannungsteiler in beiden Stromrichtungen möglich ist. Somit kann der Kondensator des Spannungsteilers während der einen Stromhalbwelle in der einen Polarität aufgeladen und jeweils in der darauffolgenden Halbwelle auf die entgegengesetzte Polarität umgeladen werden. Dieser periodische Umladestrom erzeugt im Spanhungsbegrenzerglied einen Spannungsabfall, der gleichgerichtet und über geeignete Siebmittel geglättet werden kann.

In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist das Spannungsbegrenzerglied von einer Zenerdiode gebildet. An dieser fällt somit in der einen Stromflußrichtung eine Spannung in Höhe der Zenerspannung ab, während in der entgegengesetzten Stromflußrichtung lediglich ein Spannungsabfall in Höhe der Durchlaßspannung auftritt. Um die in letzterem Fall auftretende Verlustleistung in der Zenerdiode zu verringern, kann es ,empfehlenswert sein, daß dem Spannungsbegrenzerglied eine Diode mit gleicher Flußrichtung parallel geschaltet ist. Ebenso besteht auch die Möglichkeit, daß das Spannungsbegrenzerglied von zwei zueinander entgegengesetzt in Reihe geschalteten Zenerdioden gebildet ist. Werden hierbei Zenerdioden mit gleicher Zenerspannung eingesetzt, so können beide Halbwellen der Wechselspannungsquelle zur Erzeugung der Kleinspannung ausgenutzt werden.

In weiter bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist das Verbindungselement von einer Diode einer Gleichrichterbrücke gebildet. Die Gleichrichterbrücke ermöglicht es, beide Halbwellen der Weqhselspannungsquelle zum Stromfluß auszunutzen und dennoch zur Schaltung des Stromflusses ein nur unidirektionales Schaltglied wie beispielsweise einen Thyristor zu verwenden. Dazu kann die Anordnung in bevorzugter Ausführungsform dtr Erfindung so gewählt sein, daß die Gleichrichterbrücke mit zwei sich gegenüberliegenden Anschlußpunkten der Brückenzweige in Reihe mit der zu schaltenden Last an die Wechselstromquelle angeschlossen und die beiden anderer* Anschlußpunkte der Gleirhrichterbrücke über einen Thyristor miteinander verbunden sind. Ebenso besteht die Möglichkeit, daß in zwei aneinandergrenzenden Brückenzweigen die Gleichrichter jeweils von einem Thyristor gebildet sind ίο und der den beiden Thyristoren gemeinsame Brückenanschluß mit dem gegenüberliegenden Brückenanschluß leitend verbunden ist, und daß die Gleichrichterbrücke mit ihren beiden anderen Anschlüssen in Reihe mit der zu schaltenden Last an die Wechselstromquelle angeschlossen ist Schließlich ist es auch möglich, daß die Gleichrichterbrücke mit zwei ihrer gegenüberliegenden Anschlüsse an die Wechselstromquelle und die zu schaltende Last in Reihe mit einem Thyristor an die beiden anderen Brückenanschlüsse angeschlossen sind.

In jedem Fall ist es von besonderem Vorteil, wenn in einem der Brückenzweige ein Schalter angeordnet ist. Durch Öffnen dieses Schalters läßt sich ohne weitere Maßnahme eine Reduzierung beispielsweise der Heizleistung in einem Wärmegerät auf den halben Wert erreichen.

Im folgenden wird die Erfindung an in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert; es zeigt
F i g. i den Gegenstand der Erfindung in einer schemanschen Schaltungsdarstellung,

F i g. 2 bis 6 die Anwendung der Erfindung in verschiedenen konkreten Ausführungsbeispielen.

Die in der Zeichnung in F i g. 1 dargestellte schematische Schaltung besteht im wesentlichen aus einem Leistungsteil 1, einem Steuerteil 2 sowie einer Spannungsversorgung 3 für das Steuerteil 2. Bei dieser Schaltung kann es sich beispielsweise um ein Heizgerät, insbesondere auch ein Heizkissen handeln, bei welchem der Stromfiuß durch eine Heizwicklung RO1 in Abhängigkeit von der Temperatur durch das Steuertei! 2 geregelt wird. Während das Leistungsteil 1 unmittelbar an der von der Netzspannung gebildeten Wechselstromquelle 4 angeschlossen ist, benötigt das Steuerteil 2 eine dem gegenüber niedrigere Kleinspannung, die aus der Wechselstromquelle 4 erzeugt werden muß. Da es einer galvanischen Trennung des Steuerteils 2 von der Wechselstromquelle 4 nicht bedarf, kann die Kleinspannung in besonders einfacher Weise durch einen Spannungsteiler gewonnen werden, der aus der Reihenschaltung eines Vorwiderstandes 5 und einem Spannungsbegrenzerglied 6 besteht. Der Vorwiderstand 5 wird vor allem von dem Kondensator C4 gebildet, der gegenüber einem ohmschen Vorwiderstand den Vorteil aufweist, verlustfrei zu arbeiten. Der dem Kondensator C4 in Reihe geschaltete Widerstand R 7 hat im wesentlichen lediglich die Aufgabe, beim Einschalten des Geräts, wenn also der Kondensator C4 noch vollständig entladen ist, den hohen Ladestromstoß durch das Spannungsbegrenzerglied 6 zu begrenzen. Das Spannungsbegrenzerglied 6 ist von der Zenerdiode D 7 gebildet.

Wird an diesen Spannungsteiler 5, 6 eine Wechselspannung angelegt, so tritt wegen der periodischen Umladung des Kondensators C4 ein in seiner Richtung wechselnder Stromfluß durch das Spannungsbegrenzungsglied 6 auf. Die daran abfallende Spannung wird durch die Diode D 6 gleichgerichtet, durch den Kondensator C3 geglättet und steht dann als Versorgungsspannung zur Verfügung. In der Darstellung nach Fi g. 1 ist

die Spannung am Spannungsbegrenzerglied 6 in der einen Stromrichtung durch die Zenerspannung der Zenerdiode D 7 bestimmt, während in der entgegengesetzten Stromrichtung lediglich die demgegenüber niedrigere Durchlaßspannung auftritt, die allerdings zur Erzeugung der Kleinspannung nichts beiträgt. Um bei letzterer Stromrichtung die Verlustleistung in der Diode D 7 gering zu halten, kann dieser eine Diode D 8 in gleicher Flußrichtung parallel geschaltet werden.

Eine Schaltungsanordnung der beschriebenen Art ist jedenfalls dann zur Erzeugung einer Kleinspannung geeignet, wenn der Spannungsteiler unmittelbar zwischen den beiden Klemmen der Wechselstromquelle 4 angeschlossen ist. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn im Leistungsteil ein bidirektional schaltendes Schaltelement wie beispielsweise ein Relais oder ein Triac vorgesehen ist. Da jedoch das Relais den Nachteil aufweist, einem mechanischen Verschleiß zu unterliegen, während der Triac gegenüber dem nur unidirektional schaltenden Thyristor unter anderem den Nachteil eines größeren Ansteuerleistungsbedarfs und schlechterer dynamischer Eigenschaften besitzt, wird der Thyristor als Schaltelement häufig bevorzugt. Um daher den Thyristor in entsprechender Weise in Wechselspannungsschaltungen anwenden zu können, wird er gemeinsam mit einer in der Fig. 1 lediglich angedeuteten Gleichrichterbrückenschaltung betrieben, wodurch der Laststrom jedenfalls durch Thyristor stets in dessen Durchlaßrichtung fließt. Dann jedoch kann, wie ebenfalls aus F i g. 1 hervorgeht, der Fußpunkt des Spannungsteilers, der von der Anode der Diode D 7 gebildet wird und der zugleich den Masseanschluß des Steuerteils und des Leistungsteils darstellt, nicht mehr unmittelbar mit der einen Klemme der Wechselstromquelle 4 verbunden sein, sondern über ein Verbindungselement, das von dem einen Brückenzweig, also beispielsweise einer Diode gebildet ist. Dieses Verbindungselement schließt jedoch die zuvor beschriebenen Umladevorgänge des Kondensators C4 im Spannungsteiler 5,6 aus, so daß dieser sich lediglich einmalig auflädt und mangels der weiteren Umladevorgänge am Spannungsbegrenzerglied 6 kein Spannungsabfall mehr auftritt. Die Anwendung solcher kapazitiver Spannungsteiler zur Erzeugung von Kleinspannungen schied somit bisher dann aus, wenn im Leistungsteil eine die Anwendung von Thyristoren ermöglichende Gleichrichterbrücke vorhanden war.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Anwendung eines kapazitiven Spannungsteilers jedoch auch in diesen Schaltungen dadurch möglich, daß dem Verbindungselement eine Reihenschaltung eines Kondensators C1 und eines ohmschen Widerstands R 1 parallel geschaltet wird. Dadurch können die zur Erzeugung der Kleinspannung notwendigen Umladeströme über den Kondensator Cl und den Widerstand R 1 fließen, ohne daß dadurch Einfluß auf die Stromverhältnisse im Leistungsteil 1 genommen wird.

Dieses Schaltungsprinzip läßt sich, wie im folgenden anhand der F i g. 2 bis 6 dargestellt wird, auch bei unterschiedlicher Gestaltung des Leistungsteils 1 universell einsetzen. Die für die Erzeugung der Kleinspannung notwendigen Bauteile sind dabei in den einzelnen Figuren stets mit der gleichen Bezeichnung versehen. Das Steuerteil 2 besteht in alien Ausführungsbeispielen aus dem integrierten Schaltkreis IC 1, der von der durch den Spannungsteiler 5, 6 erzeugten Kleinspannung versorgt wird. Am Anschluß 8 des integrierten Schaltkreises IC 1 stehen die für die Zündung des Thyristors Ti erforderlichen Zündimpulse zur Verfügung, die über die eine Funktionsanzeige bildende Leuchtdiode LD1 und den aus den Widerständen R 2 und R 3 bestehenden Spannungsteiler dem Gate-Anschluß des Thyristors Ti zugeführt werden.

Der Leistungsteil besteht nach Fig.2 im wesentlichen aus der Heizwicklung RO1, den die Gleichrichterbrücke bildenden Dioden D 2 bis D 5 sowie dem Thyristor Ti. Die Gleichrichterbrücke ist dabei so geschaltet, daß ein Stromfluß durch die Heizwicklung erst dann möglich ist, wenn sich der Thyristor Ti in leitendem Zustand befindet. Wird das Wärmegerät nach F i g. 2 an das Netz angeschlossen, so fließt nach Schließen der Schalter 51 und S2 über Cl, Ä 1, D 7, R 7 und C4 ein Wechselstrom, wobei der an D 7 auftretende Spannungsabfall über die Diode Z? 6 gleichgerichtet, durch C3 geglättet und dann als Versorgungsspannung zur Verfügung steht Da auch der Zündimpuls für den Thyristor aus dieser Kleinspannung gebildet wird, kann der Thyristor erst nach dem Aufbau der Versorgungsspannung erstmalig gezündet werden. Sobald sich der Thyristor in leitendem Zustand befindet, kann der Strom durch den Spannungsteiler C4, R 7 und D 7 für die Kleinspannungserzeugung in der einen Richtung seinen Weg auch über D 4 und Ti nehmen, während die entgegengesetzte Stromrichtung über D 5 stets möglich ist.

Über den Schalter 54 besteht die Möglichkeit, die Heizwicklung unabhängig von dem Steuerteil zu betreiben. Der in dem einen Brückenzweig angeordnete Schalter 53 ermöglicht auf einfache Weise durch Beschränkung des Stromflusses auf nur eine Richtung eine Halbierung der in der Heizwicklung auftretenden Leistung. Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 unterscheidet sich demgegenüber nur dadurch, daß zur Leistungshalbierung eine weitere Diode D1 der Heizwicklung RO1 in Reihe geschaltet ist, die durch den Schalter 51 überbrückbar ist. Im einzelnen kann die Heizwicklung, wie in Fig.4 dargestellt, auch in mehrere Wicklungen RO1 bis RO 3 unterteilt sein, wobei ein Takter TR unterschiedliche Tastverhältnisse für Leistungsänderungen erzeugen kann. In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 sind zwei der Dioden zweier aneinander grenzender Brückenzweige durch die Thyristoren Ti und T2 ersetzt, die gemeinsam ebenfalls durch den integrierten Schaltkreis IC 1 angesteuert werden. Auch hier liegt wie in den Ausführungsbeispielen nach den F i g. 2 bis 4 die Heizwicklung RO 1 mit der Gleichrichterbrükke in Reihe.

Schließlich besteht jedoch auch die in F i g. 6 dargestellte Möglichkeit die Gleichrichterbrücke unmittelbar an die Wechselstromquelle 4 anzuschließen und so zunächst eine Gleichspannung zu erzeugen, an die der Heizwiderstand ROi in Reihe mit dem Thyristor Ti angeschlossen ist

Unabhängig von diesen unterschiedlichen Schaltungsmaßnahmen im Leistungsteil sorgen der die Diode D 5 überbrückende Kondensator Cl und Widerstand R 1 dafür, daß auch bei nicht durchgeschaltetem Thyristor Ti eine Erzeugung der Kleinspannung möglich ist Im übrigen besteht auch die in der Zeichnung nicht näher dargestellte Möglichkeit in entsprechender Weise eine Erzeugung von Kleinspannungen an mehrphasigen Wechselstromquellen vorzunehmen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer KJeinspannung, insbesondere einer Versorgungsspannung für Regel-, Steuer- und dergl. -schaltungen in elektrischen Geräten, aus einer Wechselstromquelle, mit einer zwischen den beiden Klemmen der Wechselstromquelle (4) angeordneten, einen Spannungsteiler bildenden Reihenschaltung aus einem von einem Kondensator (C4) und einem ohmschen Widerstand (R 7) gebildeten Vorwiderstand (5) und einem Spannungsbegrenzerglied (6), wobei der Vorwiderstand (5) direkt mit einer der Klemmen der Wechselstromquelle (4) verbunden ist und die Kleinspannung am Spannungsbegrenzerglied (6) abgegriffen wird und wobei der nicht mit dem Vo/widerstand verbundene, den Fußpunkt des Spannungsteilers bildende Anschluß des Spannungsbegrenzerglieds (6) das Massebezugspotential bildet, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem aus der Kleinspannung angesteuerten und aus der Wechselstromquelle durch eine Gleichrichterbrükkenschaltung gespeisten Leistungsteil dem zwischen dem Fußpunkt des Spannungsteilers und der anderen Klemme der Wechselstromquelle liegenden, von einem der Brückenzweige gebildeten und den Stromfluß durch das Spannungsbegrenzerglied nur in einer Richtung ermöglichenden Verbindungselement eine Reihenschaltung eines Kondensators (Ci) und eines ohmschen Widerstands (R 1) parallel geschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsbegrenzerglied (6) von einer Zenerdiode (D 7) gebildet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Spannungsbegrenzerglied (6) eine Diode (D 8) mit gleicher Flußrichtung parallel geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsbegrenzerglied (6) von zwei entgegengesetzt zueinander in Reihe geschalteten Zenerdioden gebildet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement von einer Diode (D 3) einer Gleichrichterbrücke gebildet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterbrücke mit zwei sich gegenüberliegenden Anschlußpunkten der Brückenzweige in Reihe mit der zu schaltenden Last (ROl) an die Wechselstromquelle (4) angeschlossen und die beiden anderen Anschlußpunkte der Gleichrichterbrücke über einen Thyristor (Tl) miteinander verbunden sind.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in zwei aneinandergrenzenden Brückenzweigen die Gleichrichter jeweils von einem Thyristor (Tl, 72) gebildet sind und der den beiden Thyristoren gemeinsame Bfückenanschluß mit dem gegenüberliegenden Brückenanschluß leitend verbunden ist, und daß die Gleichrichterbrücke mit ihren beiden anderen Anschlüssen in Reihe mit der zu schaltenden Last (RO 1) an die Wechselstromquelle (4) angeschlossen ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterbrücke mit zwei ihrer gegenüberliegenden Anschlüsse an die Wechselstromquelle (4) und die zu schaltende Last (RO 1) in Reihe mit einem Thyristor (Tl) an die beiden anderen Brückenanschlüsse angeschlossen sind.

9. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einem der Brückenzweige ein Schalter (S3) angeordnet ist.