DE1763928A1

DE1763928A1 - Verfahren zur beruehrungslosen Steuerung eines Thyristors und Schaltungsanordnung zur Ausfuehrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE1763928A1
Application number: DE19681763928
Authority: DE
Inventors: Emil Benz; Peter Dipl-El Ing Dr Dosch
Original assignee: MENTZEL A; Heberlein and Co AG
Current assignee: MENTZEL A; Heberlein and Co AG
Priority date: 1967-09-20
Filing date: 1968-09-09
Publication date: 1972-01-13
Also published as: CH484563A; FR1597507A; US3644754A; JPS4836074B1; GB1176307A

Description

DR. A. MENTZEL

soeREFRATHb. Köln, DSN 9 .S ept enter 19 ο

DIPL.-1NG. W. DAHLKE -, /οι· /-η. FHAHKINFOHST 187 Da ./ÖChl./D . PATENTANWÄLTE TKI.XFON: BBNSBEHO β»00

Heloerlein & Co AG
Vattv/il (Schweiz)

"Verfahren zur berührungslosen Steuerung eines !Thyristors und Schaltungsanordnung zur Ausführung des Verfahrens"

Die vorliegende Erfindung "betrifft ein Verfahren sur "berührungslosen steuerung eines an einer Wechselspannung betriebenen Transistors mit Zündimpulsen. Es sind Näherungsschalter, auch kontahtlose Iniatoren genannt, bekannt, die auf dein Prinzip ,

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der .beeinflussung eines magnetischen Feldes durch Annäherun·?; eines metallischen Gegenstandes beruhen. Liegt z.B. eine Spule im Stromkreis einer mit Hochfrequenz gespeisten Brückenschaltung, so wird die Brücke durch eine mittels der Annäherung eines metallischen Teiles bewirkten Störung des magnetischen Feldes Verstimmt. Ist die Spule z.B. ein Teil einer Oszillatorschaltung, so führt die Annäherung eines metallischen Gegenstandes an das magnetische Feld zu einer Verstimmung oder'Dämpfung des Oszillators und damit zur Änderung der Oszillator-Amplitude. In beiden Fällen kann bei Annäherung des metallischen Gegenstandes auf eine bestimmte Distanz durch entsprechende schaltungstechnische .anordnungen ein Signal erzeugt werden.

Solche Näherungsschalter werden z.B. zur berührungs- und kontaktlosen Stellungsmeldung eines metallischen Gegenstandes benutzt und sind oft Teile einfacher Regelschaltungen, in v/elchen der Näherungsschalter den Ausschlag eines Instrumentes oder die Stellung eines sonstigen, den Istwert einer Regelstrecke anzeigenden Elementes ( z.B. einer Membrane) abtastet. Das Ausgangssignal des Näherungsschalters wird dann normalerweise benutzt, um ein Relais zu steuern. Es wäre an sich möglich, zur Vermeidung von Kontakten am Ausgang des ITäherungsschalters das Relais durch ein an einer Wechselspannungsquelle liegendes Thyratron oder einen Thyristor oder durch zwei antiparallel geschaltete Thyristoren oder eine Thyristor-gesteuerte Brücke oder einen Triac ;;n ersetzen und dacj Aus gangs signal dec l:.'^;.horun T.schaltcr j ."U:.· .j coLUJi'un ; von byli^nntev. Ζύη ■. .c.ialtvm 't; ; i'iii·

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thyristoren zu benutzen.

Diese Lösung hätte ,jedoch den Nachteil, daß zunächst die Spule mit Hochfrequenz gespeist, anschließend ein Gleichspannungssignal erzeugt und dieses wiederum in einen Zündinpuls für den Thyristor'umgesetzt werden muß, was einen erheblichen SchaIt-■-J\\λν:and erfordert.

JOV- Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorerwähnte ilachteile hinsichtlich des Aufwandes von Schaltelenenten zu beseitigen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daö v;älirend einer Halbperiode der Wechselspannung in zeitlich fester Beziehung zur Halbperiode mindestens ein Impuls erzeugt wird, dieser Impuls einem zur Veränderung der Impulshöhe magnetisch beeinflußbaren Übertragungselement zugeleitet wird und der Impuls vom übertragungselement einem Schaltelement oder Schaltkreis zugeführt wird, das bzw. der bei einer bestimmten Irjpulshöhe die Zündung des Thyristors bewirkt.

Die Erfindung betrifft auch eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens. Diese ist gekennzeichnet durch einen, mindestens ein erstes Triggerelement oder eine erste Transistor- <ippschaltung enthaltenden Schaltkreis zur Erzeugung von Impulsen, ein magnetisch beeinflußbares Übertragungselement zur Aufnahme jedes Impulses, ein dem Übertragungselement näherbares bzw. von dieser.·! entfernbares, die IrapuÄöhe im Übertragungselement beeinflussendes metallischen Organ und einen jeden Impuls

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vom Übertragungselement aufnehmenden, Zündimpulse für den Thyristor erzeugenden Zündschaltkreis, der mindestens ein zweites Triggerelement oder eine zweite Transistorkippschaltung enthält. Im folgenden werden einige Schaltungsbeispiele, die in der Zeichnung dargestellt sind, ausführlich beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipsehaltung für die Einwegsteuerung eines ™ Thyristors unter Verwendung von Triggerelementen;

Fig. 2 eine erweiterte Version des Schaltplanes gemäß Fig. 1}

Fig. 3 eine Variante des Schaltplanes gemäß Fig. 1 mit Transistorkippschaltungen anstelle von Triggerelementen;

Fig. 4 eine weitere Variante des Schaltplanes gemäß Fig. 2j

Fig. 5 den Zeitablauf der Zündspannung und der Zündspannungsschwelle für die Schaltung gemäß Fig. 4J

Fig. 6 einen Schaltplan mit einer Zweiweg-Steuerung für Gleich- oder Weohselspannungs-Verbraucherj

Fig. 7 eine Version der angeführten Schaltplänej I

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Fig. 8 ein Beispiel für eine Schaltung bei Verwendung eines , ,» Übertrage-»rs als Übertragungselement.

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In ?ig. 1 ist das oben geschilderte Arbeitsprinzip einer kontaktlos en Thyristor-Steuerung für einen einzelnen an Wechselspannung "betriebenen Thyristor 1 dargestellt. Zu Beginn der positiven lietzlialbwelle lädt sich ein Kondensator 2 über einen Widerstand 3 auf, bis die Zündspannung eines Triggerelefüentes 4 erreicht ist. Beim Zünden des Triggerelenentes 4 fliegt über einen Widerstand 5 ein Strom, der an einer Spule 6 einen Impuls der dargestellten Porderzeugt. Durch die entsprechende Wahl der Zeitkonstanten des Kondensators 2 und des Widerstandes 3 kann der Zeitpunkt, zu den dieser Impuls ausgelöst wird, festgelegt werden. In llormalfall, d.h. ohne daß sich ein metallischer Gegenstand der Spule 6 genähert hat, ist der Impuls so groß, daß er auch ein Triggerelement 7, über welches die Steuerelektrode des Thyristors 1 mit der Spule 6 verbunden ist, zuin Durchzünden bringt. Der Thyristor 1 wird damit gesundet und eine Last 8 an die Wechselspannungsquelle gelegt, liähert sich eine schwenkbare Blechfahne 40 der Spule 6, so wird diese gedämpft, und der an ihr entstehende Impuls beim Durchsünden des Triggerelementes 4 wird kleiner und erreicht schließlich die Zündspannung des Triggerelementes 7 nicht mehr. In dieser Stellung der Blechfahne 40 und bei weiterer .„nnäherung an die Spule 6 wird also der Thyristor 1 nicht mehr gezündet; die Last 0 ist damit abgeschaltet.

In der I^ilig. 1 ist als Beispiel ein weiterer Zündkreis bestehend auo einem Kondensator 12, einem Widerstand 13 und einem Triggerelejaent 14 eingezeichnet. Dieser zusätzliche Zündkreis kann

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dann vorgesehen werden, wenn der Verbraucher durch den Thyristor 1 nicht an der vollen Netzspannung ein- bzw. ausgeschaltet werden soll, sondern mit einstellbarer Grund- und Vollast beaufschlagt werden soll. Die Verzögerung mit den Elementen 12, 13 und 14 wird größer eingestellt, als die des Zündkreises 2, 3, 4, 5 und 6. Im Normalzustand wird dann der Thyristor 1 durch den Impuls an der Spule 6 gezündet. Unterbleibt diese Zündung jedoch durch Annäherung der Blechfahne 40 an die Spule 6, so wird noch innerhalb der Halbwelle zu einem durch den zweiten Zündkreis 12, 13, 14 festgelegten Zeitpunkt der Thyristor 1 gezündet.

Durch die beiden Zündkreise, z.B. durch Einstellung der Widerstände 3 und 13, kann somit der Phasenanschnitt von Grund- und Vollast eingestellt v/erden. Dieser zusätzliche Zündkreis kann in allen nachfolgend beschriebenen Schaltungen vorgesehen werden.

Die Höhe des Impulses an der Spule 6 im Normalzustand ist immer kleiner als die Triggerspannung des Triggerelementes 4. Deshalb muß auch die Triggerspannung des Triggerelementes 7 kleiner gewählt werden, als die des Triggerelementes 4

Fig. 2 zeigt eine Schaltungsvariante, in der die Triggerelemente 4 und 7 die gleiche Triggerspannung besitzen können. Die Erzeugung des der Spule 6 zugeführten Impulses geschieht auf die gleiche Weise wie in der Schaltung nach Pig. I. Dieser Im-

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pule wird jedoch nicht direkt dem Triggerelement 7 zugeführt, sondern es wird noch die Spannung eines Kondensators 2¹ in !Leihe geschaltet. Dieser Kondensator hat sich zusammen mit den Kondensator 2 auf einen durch den Spannungsteiler der Widerstände 9 und 10 bestimmten Bruchteil der Zündspannung des Triggereleinentes 4 aufgeladen. Eine Diode 11 verhindert die Entladung des Kondensators 2¹ beim Durchzünden des Triggereleinentes 4. Die Summe der Impuls spannung an der Spule 6 und der Gleichspannung am Kondensator 2' wird so eingestellt, daß sie im LTormalfalle größer ist als die Triggerspannung des Trigger-.elementes 7. Bei Annäherung der nicht eingezeichneten Blechfalme 40 an die Spule 6 wird die Impulsspannung v/ieder kleiner, bis schließlich die Triggerspannung des Triggerelementes 7 unterschritten wird.

In den Schaltungen, die in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind, sind 2riggerelemente 4, 7 und 14 erwähnt worden. Hierzu können alle bekannten Triggerelemente eingesetzt werden, z.B. Triggerdioden, Vierschichtdioden, Glimmlampen, Unijunction-Thyristoron usw.

Fig. 3 zeigt eine Schaltung, in der anstatt Triggerelemente Transitoren Verwendung finden. Zu Beginn der Haltwelle lädt sich der Kondensator 2 über den Widerstand 3 auf. Transistoren 15 und 16 sind gesperrt, solange eine Zenerdiode 17 hochohrnig ist, v/eil dann an Basiswiderständen 18 und 19 der Transistoren Vj und 16 nahezu keine Spannung abfällt. Sobald die Spannun

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am Kondensator 2 die Zenerspannung der Zenerdiode 17 übersteigt, wird diese leitend, und an den Basiswiderständen 18 und 19 treten Spannungsabfälle auf, mit denen die Transistoren 15 und ins Durchlaßgebiet gesteuert werden können. Sobald einer der beiden Transistoren leitend wird, wird die Zenerdiode kurzgeschlossen, wodurch die Steuerspannungen an den Widerständen und 19 weiterhin erhöht werden. Damit erfolgt ein sehr rasches Durchsteuern der beiden Transistoren 15 und 16. Über den Widerstand 5 fließt damit ein sehr rasch ansteigender Strom, der an der Spule 6 einen Impuls erzeugt. Der Kondensator 2· wird gleichzeitig mit dem Kondensator 2 über die Diode 11 etwa auf die Zenerspannung der Zenerdiode 17 aufgeladen. Ein über einen Widerstand 23 an dieser Spannung liegender Transistor 20 ist gesperrt, da sein Emitter über einen Spannungsteiler mit den Widerständen 21, 22 hochgelegt ist. Damit liegt an einem Widerstand 23 keine Spannung, und ein weiterer Transistor 24 ist ebeniSLls gesperrt. Ist der an der Spule 6 auftretende Impuls größer als die Spannung am Spannungsteiler 21, 22, so wird der Transistor 20 über einen Widerstand 25 leitend! gemacht. Der dadurch erfolgende Spannungsanstieg am Widerstand 23 steuert auch den Transistor 24 sehr rasch ins leitende Gebiet, so daß ein Zündstrom über einen Widerstand 26 dem Gate des Thyristors 1 zugeführt und dieaer gezündet wird. Eine Diode 27 verhindert das direkte Zünden des Thyristors 1 durch die Impulse der Spule 6. /

Pig. 4 zeigt eine im wesentlichen den Schaltungen der Fig. 1

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und 2 entsprechende Variante, in welcher als Triggerelemente Unijunction-Transistoren verwendet werden. Über einen Widerstand 28 wird während der positiven Netzhalbwelle eine Spannung an der Zenerdiode 17 aufgebaut. Von dieser Spannung wird der Kondensator 2 über den Widerstand 3 aufgeladen, bis die Zündspannung eines Unijunctions-Transistors 4¹ erreicht wird. Zündet der Unijunction-Transistor 4¹, so wird dadurch über den Widerntand 5 ein Impuls an der Spule 6 erzeugt. Der Kondensator 2' wird über den Spannungsteiler aus den Widerständen 9 und 10 auf eine Spannung aufgeladen, die unter der Zündspannung eines weiteren Unijunction-Transistors 7^! liegt. Die Kondensatorspannung 2' und die Höhe des Impulses an der Spule 6 im ITormalfall reichen aus, um die Zündspannung des Unijunction-Transistors 7' zu erreichen, wodurch ein Zündiinpuls für den Thyristor 1 ausgelöst und die last 8 an die ITetzspannung geschaltet wird. Ein Widerstand 31 ist ein Schutzwiderstand für das Gate des Thyristors 1. Werden durch Annäherung der nicht eingezeichneten Blechfahne 40 an die Spule 6 deren Impulse kleiner, so reicht schließlich diese Summe der Kondensatorspannung 2' und der Impulsspannung nicht mehr aus, den Unijunction-Transistor 7' zu zünden.

In Fig. 5 ist die Zündspannungsschwelle des in Pig. 4 gezeigten Unijunction-Transistors 7¹ im Kurvenzug 32 dargestellt. Es erfolgt zunächst ein rascher Anstieg, bis die Zenerdiode 17 leitend wird. Darauf bleibt die Zündspannungsschwelle nahezu konstant, sie folgt einer flachen Sinus funktion, hervorge-

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rufen durch den dynamischen Innenwiderstand der Zenerdiode 17 und, falls dies zweckmäßig erscheint, durch einen zusätzlich in Reihe mit dieser Zenerdiode geschalteten Widerstand 31' (Pig, 4). Am Ende der Halbwelle geht die Zündspannungsschwelle wieder schnell auf Null zurück. Die Spannung des Kondensators 2¹ ist in Fig. 5 durch den Kurvenzug 33 dargestellt. Sie folgt im wesentlichen der Zündspannungsschwelle 32, jedoch verzögert durch die Zeitkonstante, welche durch die Widerstände 9» 10 und den Kondensator 2' entstehen. Diese Phasenverschiebung "bringt es mit sich, daß der Abstand zwischen Zündspannungsschwelle 32 und Kondensatorspannung 33 im Laufe der Halbwelle immer kleiner wird.

Der Kondensatorspannung 33 ist die Impulsspannung der Spule 6 überlagert, in Pig. 5 dargestellt durch die nadeiförmigen Impulse 34. Der Spannungsteiler 9, 10 wird zv/eckmäßigerweise so eingestellt, daß bereits der erste Impuls die Zündspannungsschwelle überschreitet und der Thyristor 1 v/ie oben beschrieben, gezündet wird. Bei Annäherung der nicht eingezeichneten Blechfahne 40 an die Spule 6 werden deren Impulse kleiner, so^daß schließlich der erste Impuls die Zündspannung nicht mehr erreicht. In diesem Falle folgt der ersten Zündung des Unijunction-Transistors 4' eine V/iederaufladung des Kondensators 2 über den Widerstand 3» und nach einiger Zeit wird ein zweiter Impuls durch Wiederzündung des Unijunction-Trancistors !' ausgelöst. Dieser Impuls kann nun zur Zündung des Unijunction-Transistors 7' und damit des Thyristors 1 führen. Wird die nicht eingezeichnete Blechfühne

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veiter der Spule 6 angenähert, so kann erst der 3., 4., 5., HSV/. iLipuls zur Zündung führen. Dadurch wird bei Annäherung der Blechfahne 40 an die Spule 6 der Thyristor 1 immer später gesundet, und die Anordnung kann als diskontinuierlich arbeitende Proportionalregler verwendet werden. Der Proportions !bereich kann durch entsprechende Wahl des Widerstandes 31' und der aus Kondensator 2¹ und Widerständen 9, 10 sich ergebenden Zeitkonstanten eingestellt werden.

Fig. G zeigt am Beispiel der Schaltung der Fig. 1, wie anstelle von Einwellenbetrieb auch Doppelwellenbetrieb durchgeführt werden kann, indem eine Brücke 35 vorgeschaltet wird. In diesem Falle wird die vom Thyristor 1 geschaltete Last 8 mit Doppelwellengleichspannung versorgt. Ein Wechselspannungsver-"oraucher kann an der Stelle, in der der Widerstand 36 angedeutet ist, eingeschaltet werden. Dieses Vorgehen ist bei allen beschriebenen Schaltungen möglich.

Pig. 7 schließlich zeigt wieder am Beispiel der Schaltung der rig. 1, wie anstelle der direkten Ansteuerung eines Thyristors auch ein Irapulsübertrager 37 eingesetzt werden kann, dessen Sekundärwicklungen 38 beliebige Thyristor- oder Triac-Konfi- _:3urationen steuern können.

I¹Ig. 8 zeigt am Beispiel der Schaltung der Pig.l, wie als Übertragungselement anstelle einer Spule 6 ein Übertrager 6' eingesetzt werden kann. In diesen Fall ist kein Vorwideratand

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erforderlich. Dieses Vorgehen ist bei allen beschriebenen Schaltungen möglich.

Anstelle· der schwenkbaren Blechfahne 40 kann als metallisches Mittel auch ein bewegbarer Maschinenteil oder eine metallische Flüssigkeit, deren Niveau anheb- und absenkbar ist, verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche

Π..)Verfahren zur berührungslosen Steuerung einer an einer Wechselspannung betriebenen Thyristors mit Zündimpulsen, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Halbperiode mindestens ein Impuls erzeugt wird, dieser Impuls einem zur Veränderung der Impulshöhe magnetisch beeinflußbaren Übertragungselement (6, 6') zugeleitet wird und der Impuls vom Übertragungselement einem Schaltelement (17, 7¹) oder Schaltkreis (20, 24) zugeführt wird, das bzw. der bei einer bestimmten Impulshöhe die Zündung des Thyristors (1) bewirkt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Übertragungselement (6) zugeleitete Impuls einer Gleichspannung überlagert wird, welche sich während jeder Halbperiode der Wechselsapnnung der zur Be-tätigung des Schaltelemente oder Schaltkreises erforderlichen Spannung stetig nähert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß während jeder Halbperiode mehrere Impulse in regelmäßigen zeitlichen Abständen erzeugt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge-

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kennzeichnet , daß jeweils dann, wenn infolge zu geringer Höhe des Impulses keine Zündung des Thyristors (1) erfolgt, in einem späteren, bezüglich der Halbperiode ebenfalls festen Zeitpunkt unabhängig vom Übertragungselement (6) ein weiterer, die Zündung des Thyristors (1) bewirkender Impuls erzeugt wird.
5. Schaltungsanordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen, mindestens ein erstes Triggerelement (4, 4') oder eine erste Transistorkippschaltung (15, 16) enthaltenden Schaltkreis zur Erzeugung von Impulsen, ein magnetisch beeinflußbares Übertragungselement (6,6·) zur Aufnahme jedes Impulses, ein dem Übertragungselement (6, 6') näherbares bzw. von diesem entfernbares, die Impulshöhe im Übertragungselement beeinflussendes metallisches Organ (40) und einen jeden Impuls vom Übertragungselement (6, 6¹) aufnehmenden, Zlndimpulse für den Thyristor (1) erzeugenden Zündsehaltkreis, der mindestens ein zweites Triggerelement (7, 7') oder eine zweite Transistorkippschaltung (20, 24) enthält.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichne t, daß im Zündschaltkreis Schaltmittel (14) zur direkten Zündung des Thyristors (1) mittels eines weiteren, in einem späteren, bezüglich der Halbperiode der Wechselspannung ebenfalls festen Zeitpunkt

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erzeugten Impulses unter Umgehung des Übertragungselementes (6)-vorgesehen sind.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsmittel (6) mit einer Spannungsquelle, z.B. mit einem aufgeladenen Kondensator (2^!) in Reihe geschaltet ist, und daß die Reihenschaltung am Eingang des Zündschaltkreises liegt.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß als Übertragungselement eine Spule (6) vorgesehen ist.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß als Übertragungselement ein Übertrager (6^f) vorgesehen ist.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß als metallisches Organ eine schwenkbare Blechfahne (40) vorgesehen ist.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß im Zündschaltkreis als zweites Triggerelement ein Unijunction-Transistor (7¹) vorgesehen ist, dessen zweite Basis an einer Zenerdiode (17) liegt, und dessen Emitter über einen aus Widerständen

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(9, 10), einem Kondensator (2^f) und dem Übertragungselement (6) bestehenden Schaltkreis ebenfalls an der Zenerdiode (17) liegt.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruoh 11, dadurch gekennze ich net, daß in Reihe zur Zenerdiode (17) ein Widerstand (35) geschaltet ist.

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