DE1613779C3 - Einrichtung zur Steuerung des Zündzeitpunktes eines über einer Last an einer Wechselspannungsquelle liegenden Thyristors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Steuerung des Zündzeitpunktes eines Thyristors in Abhängigkeit von der Größe eines Gleichspannungs-Steuersignals, wobei der Thyristor in Reihe mit einer Last an einer Wechselspannungsquelle liegt und ein Triggerstromkreis mit einem Kondensator vorgesehen ist, der mit einer Geschwindigkeit geladen wird, die der Größe des Gleichspannungs-Steuersignals entspricht, wobei der Triggerstromkreis einen Zündimpuls für den Thyristor abgibt, sobald die Spannung am Kondensator einen vorbestimmten Wert erreicht.

Eine derartige Einrichtung ist bekannt (Silicon Controlled Rectifier Manual, 3. Ausgabe, 1964, S. 130,131).

Nachteilig bei dieser bekannten Einrichtung ist, daß der Zündimpuls nicht über volle 180° verschiebbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Einrichtung zur Steuerung des Zündzeitpunktes anzugeben, mit der der Zündimpuls auf einfache Weise über volle 180° verschoben werden kann. Dies wird mit einer Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Aufladung des Kondensators mit vom Gleichspannungs-Steuersignal abhängiger Geschwindigkeit während der negativen Halbwelle der Wechselspannung, in der der Thyristor in Sperrichtung beaufschlagt ist, vorgesehen ist und daß während der positiven Halbwelle, in der der Thyristor in Durchlaßrichtung beaufschlagt ist, der Kondensator mit konstanter Geschwindigkeit weitgeladen wird.

Zum besseren Verständnis der Erfindung sei diese an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die F i g. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung. Die F i g. 2 bis 4 zeigen eine 2-Rampen-Steuerfunktion, bei einer Einrichtung gemäß Fig. 1, und zwar für Zündwinkel von 180, 90 und0°.

ίο Wie aus F i g. 1 ersichtlich, liegt die Anoden-Kathoden-Strecke eines Thyristors 10 in Reihe mit einem Lastwiderstand 11 parallel zu einer Sekundärwicklung 13 eines Transformators 14. Der Transformator 14 besitzt eine Primärwicklung 15 die an den Anschlußklemmen Li und L2 mit einer Wechselspannungsquelle verbunden sind. Während der Halbwelle, in der der Thyristor 10 positiv vorgespannt ist, kann über den Thyristor 10 der Strom in der Last 11 in Abhängigkeit vom Zündwinkel eines Zündimpulses, der an seine Steuerelektrode angelegt wird, verändert werden.

Der Zündstromkreis erhält seine Spannung über eine Stromversorgung 16, die aus einem Brückengleichrichter 17 besteht, der parallel zu einer Sekundärwicklung 18 des Transformators 14 liegt. Am Ausgang der Gleichrichterbrücke 17 sind zur Siebung ein Kondensator 19 und ein Widerstand 21 sowie Zenerdioden 23 und 24 vorgesehen. Über die Zenerdioden 23 und 24 wird an einem Schaltungspunkt P2 eine erste konstante Spannung und an einem weiteren Schaltungspunkt Pi eine zweite höhere konstante Spannung bereitgestellt.

Während der Halbwelle, in der der Thyristor 10 negativ vorgespannt ist, wird ein Kondensator 25 mit einer Geschwindigkeit geladen, die proportional einem Gleichspannungs-Steuersignal ist, das an Schaltungspunkten 26 und 27 ansteht. Während der Halbwelle, in der der Thyristor 10 positiv vorgespannt ist, wird dieser Kondensator 25 mit einer festgelegten Geschwindigkeit geladen. Die Ladung des Kondensators 25 wird über einen npn-Transistor 28, der als Synchronschalter dient, gesteuert. Die Basis des Transistors 28 ist über einen Widerstand 31 mit einem Ende einer Sekundärwicklung 29 des Transformators 14 verbunden, und sein Emitter liegt am anderen Ende dieser Sekundärwicklung. Zwischen Emitter und Basis des Transistors 28 liegt eine Diode 32. Der Kollektor des Transistors 28 liegt über Widerstände 33 und 34 am Schaltungspunkt Pi und über eine Diode 35 und einen Widerstand 36 am Kondensator 25. Der Schaltungspunkt 26 ist über den Widerstand 36 und eine Diode 37 mit dem Kondensator 25 verbunden. Der Schaltungspunkt 27 liegt am Emitter des Transistors 28.

Die Spannung am Kondensator 25 steuert einen Triggerstromkreis 41, der einen Zündimpuls an der Steuerelektrode des Thyristors 10 erzeugt, sobald seine Spannung einen vorbestimmten Wert erreicht. Der Triggerstromkreis 41 weist ein Paar komplementärer Transistoren 42 und 43 auf, die als bistabiler Multivibrator geschaltet sind. Der Transistor 42 ist dabei ein PNP-, der Transistor 43 ein NPN-Transistor. Die Basis des Transistors 43 ist mit dem Verbindungspunkt von Widerständen 44 und 45, die am Schaltungspunkt Pl liegen, verbunden. Der Emitter des Transistors 43 liegt an dem Verbindungspunkt von Kondensator 25 und Widerstand 36 und sein Kollektor liegt an der Basis des Transistors 42. Der Kollektor des Transistors 42 liegt an der Basis des Transistors 43 und sein Emitter liegt über eine Primärwicklung 46 eines Impulstransformators 47 am Schaltungspunkt P2. Der Impulstransforma-

tor 47 besitzt eine Sekundärwicklung 48, die zwischen Steuerelektrode und Kathode des Thyristors 10 liegt.

Um die Spannung am Kondensator 25 auf einen konstanten Wert oder auf 0 zu bringen, wenn der Transistor 28 sperrt, ist eine Synchronisierschaltung 51 vorgesehen. Auch diese Schaltung besteht im wesentlichen aus zwei komplementären Transistoren 52 und 53, die einen bistabilen Multivibrator bilden, der parallel zum Kondensator 25 liegt Der Emitter des Transistors 53 liegt an dem Verbindungspunkt von Kondensator 25 und Widerstand 36, seine Basis liegt an dem Verbindungspunkt der Widerstände 54 und 55, die ihrerseits mit dem Schaltungspunkt Pl verbunden sind. Der Kollektor des Transistors 53 liegt an der Basis des Transistors 52, und der Kollektor des Transistors 52 liegt an der Basis des Transistors 53. Der Emitter des Transistors 52 liegt über einem nicht dargestellten strombegrenzenden Widerstand 50 am Schaltungspunkt Pl. Die Verbindungspunkte der Widerstände 54 und 55 und der Widerstände 33 und 34 sind über einen Kondensator 56 und einen Widerstand 57, dem eine Diode 58 parallel geschaltet ist, zusammengeschaltet. Der Widerstand 57 und die Diode 58 schützen den Transistor 53 gegen eine zu hohe negative Emitter-Basis-Spannung.

Wie bereits weiter oben erwähnt, wird der Thyristor 10 über einen vom Triggerstromkreis 41 erzeugten Zündimpuls gesteuert, wobei der Triggerstromkreis selbst über die Spannung am Kondensator 25 gesteuert wird. Der Kondensator 25 kann entweder über den Widerstand 36 und die Diode 37 durch die an den Schaltungspunkten 26 und 27 anliegende Steuergleichspannung oder über den Widerstand 36, die Diode 35 und den Transistor 28 geladen werden, solange dieser Transistor leitend ist. Der Transistor 28 ist während der Halbwelle leitend, während der der Thyristor 10 positiv vorgespannt ist. Der Kondensator 25 wird, solange der Thyristor 10 negativ vorgespannt ist, mit einer Geschwindigkeit geladen, die proportional dem Gleichspannungs-Steuersignal ist, das an den Punkt 26 und 27 anliegt und wird dann während der Zeit, in der der Thyristor 10 positiv vorgespannt ist, mit einer festgelegten Geschwindigkeit weiter geladen. Diese Arbeitsweise kann als 2-Rampen-Steuerung bezeichnet werden, wobei eine erste Rampe mit variabler Steigung während derjenigen 180° erzeugt wird, während der eine negative Spannung am Thyristor 10 liegt und eine zweite Rampe mit festgelegter Steigung, die während derjenigen Zeit erzeugt wird, in der der Thyristor positiv vorgespannt ist bis zum Zündzeitpunkt.

Die F i g. 2, 3 und 4 zeigen drei typische Steuervorgänge. F i g. 2 zeigt den Steuerungsverlauf bei einem Zündwinkel von 180°, Fig.3 zeigt den Verlauf für einen Zündwinkel von 90° und F i g. 4 den Verlauf bei einem Zündwinkel von 0°. In diesen Figuren sind die Spannungen als einfache, linear ansteigende Spannungen dargestellt. Es ist aber leicht einzusehen, daß diese Spannungen in Wirklichkeit einen exponentiellen Verlauf haben. Der Buchstabe C bezeichnet jeweils den Spannungsverlauf bzw. die Ladung des Kondensators 25, und der Buchstabe Fbezeichnet den Zündzeitpunkt. Aus den Figuren ist ersichtlich, daß der erste Teil des Spannungsverlaufs in seiner Steigung veränderlich ist und den Anfangspunkt für den zweiten Teil des Spannungsverlaufs liefert. Der erste Teil des Spannungsverlaufs liegt jeweils in den 180°, die einer möglichen Zündung vorausgehen.

Der Triggerstromkreis 41 besteht aus den Widerständen 44, 45 und 36, wobei der Kondensator 25 zu dem bistabilen Multivibrator, bestehend aus den Transistoren 42 und 43, parallel geschaltet ist. Diese Bauteile werden von der konstanten Spannung am Schaltungspunkt Pl gespeist. Die Widerstände 44 und 45 legen die Basisspannung des Transistors 43 fest. Der Kondensator 25 wird, wenn er an Erde liegt, über den Widerstand 36 Diode 35 bzw. 37 geladen. Die Verbindung von Kondensator 25 und Widerstand 36 liegt am Emitter des Transistors 43. Sobald die Spannung des Kondensators

ίο 25 gleich der Spannung am Widerstand 45 ist, beginnt der Transistor 43 zu leiten und entlädt in Zusammenarbeit mit dem Transistor 42 den Kondensator 25 über den Impulstransformator 47.

Der Kondensator 25 kann von der Steuerspannung, die zwischen den Schaitungspunkten 26 und 27 ansteht, über die Diode 37 oder von einer konstanten Spannung über Transistor 28 und Diode 35 geladen werden. Der als Synchronschalter arbeitende Transistor 28 ist während der Zeit, in der der Thyristor 10 negativ gepolt ist, gesperrt; während dieser Halbwelle wird die Ladung des Kondensators 25 von der Steuergleichspannung gesteuert. Auf diese Art und Weise wird über die Steuergleichspannung eine Rampenfunktion mit variabler Steigung während der Sperrzeit des Thyristors 10 erzeugt. Sobald diese Spannung gleich der Spnnung zwischen Pl und Erde ist, kann kein Strom mehr über den Kondensator 25, den Widerstand 36 und die Diode 37 fließen. Der Kondensator 25 wird also nicht geladen. In diesem Fall ist der Anstieg der ersten Rampenfunktion Null, wie in F i g. 2 gezeigt. Sobald der Thyristor 10 positive Spannung erhält, wird der als Synchronschalter wirksame Transistor 28 leitend und legt die Diode 35 an Erde. Der Kondensator 25 kann dann über den Widerstand 36 und die Diode 35 mit einer festgelegten Geschwindigkeit geladen werden. So wird der konstante Anstieg der zweiten Rampen erzeugt. Wenn die Spannung zwischen den Schaltungspunkten 26 und 27 etwa halb so groß ist wie die Spannung am Punkt Pl, lädt sich der Kondensator 25 über den Widerstand 36 und die Diode 37 so lange auf, wie negative Spannung am Thyristor liegt (F i g. 3). Wenn der Transistor 28 durchschaltet und der Thyristor 10 positive Spannung erhält, ist der Kondensator 25 bereits teilweise geladen und seine Entladespannung, d. h. der Zündzeitpunkt, wird früher erreicht werden. Wenn jedoch im anderen Fall die Spannung zwischen den Schaltungspunkten 26 und 27 Null ist, wird der Kondensator 25 über den Widerstand 36 und die Diode 37 bis zur Entladespannung aufgeladen, und der in F i g. 4 gezeigte Zündwin-

kel gleich Null liegt vor. Durch Ändern der Steuergleichspannung kann so der Zündwinkel über volle 180°, während positive Spannung am Thyristor 10 liegt, verschoben werden.

Der Synchronisierschaltkreis 51 hält die Spannung am Kondensator 25 auf einem konstanten Wert oder nahe an Null, wenn der Thyristor 10 die Halbwelle beginnt, in der er negativ vorgespannt ist, und der Transistor 28 gesperrt ist. Da der Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 54,55 zwischen Schaltungspunkt Pl und Basis des Transistors 53 eine Spannung erzeugt, die größer ist als die Spannung zwischen Schaltungspunkt Pl und der Basis des Transistors 43, hat der Synchronisierschaltkreis 51 keinen Einfluß auf die normale Entladung des Kondensators 25. Während der HaIbwelle, in der der Transistor 28 leitet, lädt sich der Kondensator 56 auf die Spannungsdifferenz auf, die zwischen den Verbindungspunkten der Widerstände 33 und 34 und der Widerstände 54 und 55 besteht. Am

Ende dieser Halbwelle kommt der Transistor 28 aus der Sättigung und sperrt. Die Spannung an dem Verbindungspunkt der Widerstände 33 und 34 wird auf das Potential des Schaltungspunktes Pi gehoben. Der Kondensator 56 folgt diesem Spannungsanstieg und lädt sich auf eine höhere Spannung auf. Dadurch bildet der Transistor 53 zusammen mit dem Transistor 52 einen niederohmigen Parallelwiderstand zum Kondensator 25, so daß dieser entladen wird. Wenn der Kondensator 25 entladen ist, steigt das Potential am Emitter des Transistors 53 auf das Potential des Schaltungspunktes Pl an, der bistabile Multivibrator aus den Transistoren 52 und 53 sperrt. Der Kondensator 25 wird so entladen und anschließend wieder über die Steuergleichspannung zwischen den Schaltungspunkten 26 und 27 aufgeladen.

Wie oben erläutert, kann mit der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung der Zündwinkel über volle 180° verschoben werden, wobei mit einem Gleichspannungssteuersignal gesteuert wird. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist für die verschiedensten Anwendungsfälle geeignet. Beispielsweise kann sie in Ladegeräten, Motorsteuerungen oder Beleuchtungsanlagen Verwendung finden. Bei manchen Anwendungen kann es zweckmäßig sein, den Thyristor 10 zur Ansteuerung weiterer Thyristoren zu verwenden, die mit höheren Belastungen arbeiten. Der Stromkreis der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, den Zündwinkel genau und reproduzierbar einzustellen, ohne besonders ausgewählte Bauelemente verwenden zu müssen. In diesem Zusammenhang muß bemerkt werden, daß das Verhalten des Triggerstromkreises 41 und der Synchronisierschaltung 51 ähnlich ist wie das eines Relaxations-Oszillators mit einem Doppelbasis-Transistor. In Schaltungen dieser Art bestimmen aber die Kenndaten des Transistors die Spannung, bei der sich der Kondensator entlädt. Die Kenndaten von Transistoren unterliegen aber starken Fertigungstoleranzen, so daß die Auswahl des richtigen Doppelbasistransistors erhebliche Schwierigkeiten bereitet. In einer Schaltungsanordnung, wie sie in F i g. 1 gezeigt ist, ist es nur notwendig, daß die Widerstände 44 und 45 eng toleriert sind. Da die Synchronisierschaltung des erfindungsgemäßen Stromkreises von der Wechselspannungsquelle gespeist wird, ist sie unabhängig von Frequenzänderungen. Die erfindungsgemäße 2-Rampen-Steuerung ist gegenüber Netz- und Belastungsstörungen bzw. gegenüber Rauschen sehr unempfindlich. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Steuerfunktion eine Integralfunktion ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Steuerung des Zündzeitpunktes eines Thyristors in Abhängigkeit von der Größe eines Gleichspannungs-Steuersignals, wobei der Thyristor in Reihe mit einer Last an einer Wechselspannungsquelle liegt und ein Triggerstromkreis mit einem Kondensator vorgesehen ist, der mit einer Geschwindigkeit geladen wird, die der Größe des Gleichspannungs-Steuersignals entspricht,, wobei der Triggerstromkreis einen Zündimpuls für den Thyristor abgibt, sobald die Spannung am Kondensator einen vorbestimmten Wert erreicht, d a durch gekennzeichnet, daß die Aufladung des Kondensators (25) mit vom Gleichspannungs-Steuersignal abhängiger Geschwindigkeit während der negativen Halbwelle der Wechselspannung, in der der Thyristor (10) in Sperrichtung beaufschlagt ist, vorgesehen ist und daß während der positiven Halbwelle, in der der Thyristor (10) in Durchlaßrichtung beaufschlagt ist, der Kondensator (25) mit konstanter Geschwindigkeit weitergeladen wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Ladekreis des Kondensators (25) in Serie mit diesem ein Widerstand (36) sowie eine aus der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors (28) und einer Quelle (26, 27) für das Gleichspannungs-Steuersignar bestehende Parallelschaltung eingeschaltet sind, daß die Basis des Transistors (28) an die Wechselspannungsquelle (Ll, L2, 14) so angeschlossen ist, daß der Transistor (28) synchron mit dem Thyristor (10) in Sperr- bzw. Durchlaßrichtung vorgespannt ist und daß der Entladekreis des Kondensators (25) eine Transistoranordnung (41) aufweist, von der ein bei Entladung des Kondensators (25) stromführender Zweig mit der Steuerelektrode des Thyristors (10) gekoppelt ist.