DE1801404A1 - Schaltungsanordnung zur kontaktlosen Steuerung der Leistung von Wechselspannungsverbrauchern - Google Patents

Schaltungsanordnung zur kontaktlosen Steuerung der Leistung von Wechselspannungsverbrauchern

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DE1801404A1
DE1801404A1 DE19681801404 DE1801404A DE1801404A1 DE 1801404 A1 DE1801404 A1 DE 1801404A1 DE 19681801404 DE19681801404 DE 19681801404 DE 1801404 A DE1801404 A DE 1801404A DE 1801404 A1 DE1801404 A1 DE 1801404A1
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wave
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Dieter Metzner
Franz Willms
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ABB Training Center GmbH and Co KG
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Hartmann and Braun AG
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/083Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the ignition at the zero crossing of the voltage or the current
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10Regulating voltage or current
    • G05F1/12Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is ac
    • G05F1/40Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is ac using discharge tubes or semiconductor devices as final control devices
    • G05F1/44Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is ac using discharge tubes or semiconductor devices as final control devices semiconductor devices only
    • G05F1/45Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is ac using discharge tubes or semiconductor devices as final control devices semiconductor devices only being controlled rectifiers in series with the load
    • G05F1/452Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is ac using discharge tubes or semiconductor devices as final control devices semiconductor devices only being controlled rectifiers in series with the load with pulse-burst modulation control

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Description

  • "Schaltungsanordnung zur kontaktlosen Steuerung der Leistung von Wechselspannungsverbrauchern" Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur kontaktlosen Steuerung der Leistung von Wechselspannungsverbrauchern, insbesondere von elektrischen Heizungen, mittels Impulsgruppensteuerung, bei der die Ausgangsleistung proportional der Eingangssteuerspannung ist, mit einem bidirektionalen Thyristor, in dessen Zündkreis die Reihenschaltung eines bidirektionalen Triggerelementes und eines Kondensators liegt und die bidirektionals Triggerelement einen definierten Zündimpuls für den Thyristor abgibt, wenn die am Kondensator anliegende Spannung die Durchbruchspannung des bidirektionalen Triggerelementes überschreitet.
  • ab@@ Katalog Nr. 112044,68 der Firma Neye "Thyristorenanlagen @@@ndschaltungen und Anwendungsbeispiele" sind Zund-@@ für verschiedene Thyristoranordnungen gekannt.
  • @@ zwischen @@@@it@ @ @@@ @@ rs und einer unter dem Namen "Diac" bekannten Zweiwegschaltdiode die Zündimpulse für de Thyristor liefert. Der Kondensator wird dabei über einen Ladewiderstand aufgeladen. Erreicht die Kondensatorspannung die Durchbruchspannung der Zweiwegschaltdiode, so erzeugt diese einen definierten Zündimpuls für den Thyristor. Diese Schaltungen sind für Phasenanschnittsteuerungen entworfen worden und dabei so ausgelegt, daß die an dem Zündkondensator liegende Spannung gegenüber der Speisespannung nacheilt. Durch die Veränderung der Größe des Ladewiderstandes ist es möglich, den jeweiligen Zündwinkel zu verändern. Nachteilig bei diesen Schaltungen ist, daß durch den u U. starken Phasenanschnitt steile Flanken, Funkstörungen und erhebliche Blindströme entstehen, außerdem wird der Oberwellengehalt der Netzspannung erhöht.
  • Bekannt ist weiterhin, für die Steuerung der Leistung von Wechselspannungsverbrauchern eine sogenannte Impulsgruppensteuerung anzuwenden. Bei dieser Impulsgruppensteuerung erstrecken sich die Zeiträume, in denen in Verbraucher Leistung umgesetzt bzw. nicht umgesetzt wird, über Vielfache der Periodendauer der Versorgungsspannung. Es wechseln sich also Leistungs @@kot@ mit Pausen ab. Da Impulsgruppenschaltungen Leistungs-@ schalter dessen Dauer ein Vielfaches der Periodendauer der Speisespannung ist, ist die Schaltfrequens der Leistung @ geringer als bei der Phasenanschaltsteuerung, bei der die Frequenz der Leistung das Doppellte der @wegt der Versorgungswechselspannung beträgt. Bei der Impulsgruppenschaltung wird im allgemeinen in der Nähe des Spannung nulldurchganges geschaltet, wodurch einige der durch die Phasenanschnittsteuerung verursachten Nachteile vermieden werden. Zwei Thyristorschaltungen mit Impulsgruppen sind in der Zeitschrift "Elektronik" (1968), Heft 4, Seite 111 beschrieben. Bei der einen Thyristorsteuerschaltung bestimmt das von der Größe zweier Widerstände abhängige Tastverhältnis eines astabilen Multivibrators, dessen Frequenz im wesentlichen konstant und niedriger als die der Versorgungswechselspannung ist, die Größe der im Verbraucher umgesetzten Leistung. Da die Dauer eines Leistungspaketes bzw.
  • einer Pause immer ein Vielfaches der Periodendauer der Versorgungswechselspannung , ad die Periodendauer der Rech.teckschwingung des stabilen Multivibrators konstant is+, kann die umgesetzte Leistung nicht stufenlos verstellt werden.
  • Die andere Thyristorschaltung betrifft einen Temperaturregelkreis, bei dem die beiden anti?arallel geschalteten Thyristors ren eigene Zündkreise besitzen und über einen Gegentaktzündimpulsübertrager gesteuert werden. Uberschreitet der Widerstandawert eines als Temperaturfühler dienenden NTC-Widerstandes einen vorbestimmten Wert, so werden die antiparallel geschalteten Thyristoren phasenrichtig gezündet; unterschreitet der Widerstandswert jedoch den vorbeetimmten Wert, so werden keine Zündimpulse für die Thyristoren geliefert. Bei dieser Thyristorschaltung ist nicht dafür gesorgt, daß die Leistungepakete jeweils aus ganzen Perioden der Versorgungswechselspannung bestehen, so daß durch den Gleichstromanteil eine störende Vormagnetisierung des Versorgungstransformators entstehen kann.
  • Nach dem Prinzip der Impulsgruppensteuerung der Leistung eines Wechselspannungsverbrauchers arbeitet auch der Thyristor-Stellverstärker "Semitakt - Typ Be der Firma AEG. Dieser Stellverstärker enthält als Leistungsschalter zwei antiparallel geschaltete Thyristoren. Für Jeden der beiden Thyristoren ist ein eigener Zündkreis vorgesehenO Dem Steliverstärker ist ein stetiger Regler vorgeschaltet, dessen Ausgangsspannung im, Eingang des Stellverstärkers mit einer aus dem Verbraucherstrom abgeleiteten Spannung verglichen wird. Ist die Reglerausgangespannung größer als die aus dem Verbraucherstrom abgeleitete Spannung, erzeugt ein Transistor-Kippglied Impulse einer Frequenz, die höher als die Frequenz der Versorgungsspannung ist. Diese Impulse werden den Zündkreisen zugeführt und dabei so umgeformt, daß sie als Zündimpulsefür die antiparallel geschalteten Thyristoren dienen. Die Thyristoren erhalten während der Dauer einer Halbwelle der Versorgungewechselspannung mehrere Zündimpulse.
  • Nachteilig ist hierbei, daß für die Versorgung des Transistor-Kippgliedes und der Verstärkerschaltung eine zusätzliche Gleichspannungsquelle benötigt wird, die Netztransformator, Gleichrichter, Glättungs- und Stabilisierungsmittel enthält. Außerdem werden bei dem bekannten Stellverstärker zwar Impulsgruppen geschaltet, diese sind jedoch nicht aus vollen Perioden der Versorgungswechselspannung zusammengesetzt. Auch ist es nachteilig, daß das Einschalten eines LeistungsFaketes unabhängig von der Größe der gerade an den Thyristoren anliegenden Spannung geschieht, also ein undefinierter Phasenanschnitt vorgenommen wird.
  • Aus diesem Grund ist die Anzahl der positiven Halbwellen eines Leistungspaketes nicht zwangsläufig gleich der Anzahl der negativen Halbwellen und es entsteht ein Gleichstromanteil, der eine schädliche Vormagnetisierung des Versorgungstransformators bewirken kann.
  • Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung soll die Nachteile der bekannten Anordnungen vermeiden und durch eine möglichst geringe Verlustleistung einen einfachen und raumsparenden (räumlich gedrängten) Aufbau der gesamten Schaltungsanordnung ermöglichen. Insbesondere soll die Gleichstromvormagnetisierung des Versorgungstransformators und die Blindstromentnahme aus dem Versorgungsnetz so klein wie möglich gehalten werden.
  • Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zur kontaktlosen Steuerung der Leistung von Wechselspannungsverbrauchern, insbeQondere von elektrischen Heizungen, mittdls Impulsgruppensteuerung, bei der die Ausgangsleistung proportional der Eingangssteuerspannung ist, mit einem bidirektionalen Thyristor, in dessen Zündkreis die Reihenschaltung eines bidirektionalen Triggerelementes und eines Kondensators liegt und das bidirektionale Triggerelement einendefinierten Zündimpuls für die Thyristoren abgibt, wenn die am Kondensator anliegende Spannung die Durchbruchspannung des bidirektionalen Triggerelementes überschreitet, und besteht darin, daß parallel zu dem Kondensator eine Begrenzungsschaltung liegt, welche in Abhängigkeit von einem Steuersignal entweder die Spannung am Kondensator auf einen Wert unterhalb der Durchbruchspannung des bidirektionalen Triggerelementea begrenzt oder aber Unwirksam ist.
  • In einer vorteilhaften Auegestaltung der Erfindung besteht die Begrenzungsschaltung aus zwei Reihenschaltungen, die h Jeweils einen Transistor und eine Diode in Durchlaßrichtung enthalten. Diese beiden Reihenschaltungen sind antiparallel geschaltet, wobei die eine Reihenschaltung während der positiven Halbwelle und die andere Reihenschaltung während der negativen Halbwelle wirksam ist. Das Entstehen eines für den Versorgungetransformator schädlichen Gleichstromanteils wird dadurch vermieden, daß das Eingangssignal für den einen Transistor (Steuertransistor) frei wählbar ist, während das Eingangssignal für den anderen Transistor (Polgetrans1ator) aus dem Spannung abfall über dem Verbraucher abgeleitet laut. Eine durch den Stevertransistor verursachte Zündung der einen Halbwelle bewirkt eine Zündung der darauffolgenden Halbwelle entgegengesetzter Polarität. Die Rlindleistungsentnshme aus dem Netz sowie die Oberwellenbelastung des Netzes wird dadurch verringert, daß ein Netzwerk vorgesehen ist, das aus der am Thyristor anliegenden Spannung eine Verriegelungsspannung ableitet und dem Steuertransistor zuführt, wodurch eine Zündung der gesteuerten Halbwelle nur in dem Bereich zwischen 8° und 20° nach dem Nulldurchgang der Versorgungsspannung möglich wird. Es ist vorteilhaft, eine Rückführungsschaltung vorzusehen, die einen Gleichrichter enthält, der den Spannungsabfall am Verbraucher gleichrichtet und ein verzdgerndes Netzwerk, das den Mittelwert dieser gleichgerichteten Spannung bildet, der einer Summationsschaltung im Verstärkereingang zugeführt ist, welche die Differenz aus dem Rückführstrom und dem Eingangsstrom bildet. Nach einer weiteren Ausbildung der b Erfindung ist die Zeitkonstante des verzögernden Netzwerkes in der Rückführung mindestens 50 mal so groß wie die Periodendauer der Wechsel spannung. Diese Maßnahme bewirkt eine Verbesserung der tinearität zwischen der Eingangssteuerspannung und der im Verbraucher umgesetzten Leistung. Um zwischen der Versorgungswechselspannung und der Eingangssteuerspannung eine Potentialtrennung zu erreichen, ist im Eingang der Schaltungsanordnung ein passiver Gleicbspannungswandler vorgesehen. leiterhin kann sur Verringerung der Verlustleistung der Schaltungsanordnung der Ladewiderstand für den Kondensator durch die Reihenschaltung eines Kondensators und eines Widerstandes ersetzt und dem Steuertransistor ein weiterer Transistor in Emitterschaltung vorgesohaltet werden, dessen Emitter mit dem Emitter des Steuertransistors und dessen Kollektor über einen ersten Widerstand mit der Basis des Steuertransistors und über einen zweiten Widerstand mit dem Kollektor des Steuertransistors verbunden ist. In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist aufgrund der verringerten Verlustleistung der Schaltungsanordnung die gesamte Schaltungsanordnung auf dem Kühlkörper für den bidirektionalen Thyristor befestigt.
  • Die räumliche Anordnung der einzelnen Bauteile ist dabei so getroffen, daß kein Bauteil über die äußeren Be6renzungsflächen des Kühlkörpers hinausragt.
  • An Hand der Figuren werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Ee zeigt: g Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungeanordnung mit angeschlossenem Verbraucher, Fig. 2 eine Darstellung des Bereiches innerhalb dessen die Zündung der positiven Halbwelle möglich ist an Hand eines Liniendiagramme der Versorgungswechselspannung, Pig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsemäßen Schaltungsanordnung mit angeschlossenem Verbraucher, die eine höhere Eingangsempfindlichkeit und eins geringere Verlustleistung als das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 besitzt, Fig. 4 die Schaltung zweier anti parallel geschalteter Thyristoren als Ersatz für einen bidirektionalen Thyristor, Fig. 5 die Schaltung eines bekannten passiven Gleichspannungawandlers zur Trennung der Potentiale von Eingangssteuerspannung und Versorgungswechselspannung, Fig. 6 den räumlichen Aufbau der gesamten Schaltungsanordnung und Fig. 7 den Spannungsverlauf am Verbraucher für verschiedene Werte des Stellgrads.
  • An den Klemmen 1 und 2 in Fig. 1 wird die Versorgungswechselspannung zugeführt. Zwischen diesen Klemmen liegt die Reihenschaltung des Verbrauchers 3 und des bidirektionalen Thyristors 4. In dem Thyristorzündkreis liegt die Reihenschaltung der Zweiwegschaltdiode 5 und des Kondensators 6. Der Kondensator 6 wird über den Widerstand 7 aufgeladen. Uberschreitet die Span- w nung am Kondensator 6 die Durchbruchspannung der Zweiwegschalt,-diode 5, so wird dem bidirektionalen Thyristor 4 ein definierter Zündimpuls zugeführt und es kann ein Strom durch den Verbraucher 3 fließen. Der Widerstand 7 ist kleiner als der Blindwiaerstand des Kondensators 6.
  • Die Bauelemente dieser Teilschaltung sind so dimensioniert, daß bei einem elektrischen Winkel von ungefähr 8° nach dem Nulldurchgang Jeder Halbwelle der bidirektionale Thyristor 4 gezündet werden kann. Durch die noch zu beschreibende Begrenzungsschaltung ist es möglich, den Spannungsabfall sn dem Kondensator 6 auf einen Wert zu begrenzen, der unterhalb der Durchbruchspannung der Zweiwegschaltdiode 5 liegt und somit eine Zündung des bidirektionalen Thyristors 4 zu verhindern.
  • In den folgenden Ausführungen wird die Halbwelle, in der das Potential der Klemme 2 positiv gegenüber dem Potential der Klemme 1 18t9 als "positive Halbwelle" und die Halbwelle, in der das Potential der Klemme 2 negativ gegenüber dem Potential der Klemme 1 ist, als "negative Halbwelle" bezeichnet. Ist der Steuertransistor 8 während der positiven Halbwelle leitend, so begrenzt die Reihenschaltung des Steuertransistors 8 und der Diode 9 die Spannung am Kondensator 6 auf einen Wert, der sich aus der Summe der Diodendurchlaßspannung und der Kollektor-Emitterspannung des Steuertransistora 8 zusammensetzt und der unterhalb der Durchbruchspannung der Zweiwegschaltdiode 5 liegt. Ist der Steuertransistor 8 während der positiven Halbwelle gesperrt, so ist die Begrenzungsschaltung nicht wirksam und der Kondensator 6 kann sich auf die zur Zündung des bidirektionalen Thyristors 4 erforderliche Spannung aufladen. Die Reihenschaltung aus dem Folgetransistor 10 und der Diode 11 arbeitet während der negativen Halbwelle analog der Reihenschaltung aus dem Steuertransistor 8 und der Diode 9. Ist der Folgetransistor 10 leitend1 wird die Spannung an dem Kondensator 6 begrenzt, ist der Folgetransistor 10 gesperrt, kann sich der Kondensator 6 auf die zur Zündung des bidirektionalen Thyristors erforderliche Spannung aufladen.
  • Ist der Steuertransistor 8 zu Beginn der positiven Halbwelle aufgrund. seines Eingangssignals gesperrt, kann sich der Kondensator 6 auf die Durchbruchspannung der Zweiwegschaltdiodo 5 aufladen und diese gibt ihrerseits einen definierten Zündimpuls an den bidirektionalen Thyristor 4.
  • Während der positiven Halbwelle fließt dann ein Strom durch den Verbraucher 3. Gleichzeitig wird der Kondensator 12 über den Widerstand 13 und die Diode 14 auf eine solche Spannung aufgeladen, daß in der folgenden negativen Halbwelle der Polgetransistor 10 sperrt. Dadurch kann sich der Kondensator 6 auch während der negativen Halbwelle auf die Durchbruchspannung der Zweiwegschaltdiode 5 aufladen und diese liefert einen definierten Zündiapuls an den bidirektionalen Thyristor 4. Das bedeutet, daß während der negativen Halbwelle nur dann Strom durch den Verbraucher 3 fließt, wenn auch in der vorhergehenden positiven Halbwelle Strom durch den Verbraucher 3 geflossen ist.
  • Ist der Steuertransistor 8 Jedoch aufgrund seines Eingangssignale zu Beginn der positiven Halbwelle leitend, so wird die Spannung u Kondensator 6 begrenzt. Der bidirektionale Thyristor 4 erhält keinen Zündimpuls und es fließt deshalb während der positiven Halbwelle kein Strom durch den Verbraucher 3. Aus diesem Grund wird auch der Kondensator 12 nicht aufgeladen und der Folgetransistor 10' ist deshalb während der negativen Halbwelle leitend. Das bedeutet, daß auch während der negativen Halbwelle kein Strom durch den Verbraucher 3 fließen kann. Der Widerstand 17 dient einerseits zum Schutz des Folge transistors 10, andererseits bewirkt er zusammen mit dem Widerstand 16, daß der Folgetransistor 10 während der negativen Halbwelle übersteuert wird, wenn seiner Basis kein zusätzliches Signal zugeführt wird. Die Begrenzungsechaltung für die negative Halbwelle arbeitet als freilaufende Begrenzungsschaltung, den Wirkung durch ein Steuersignal aufgehoben wird.
  • Parallel zu dem Verbraucher 3 liegt die Reihenschaltung der Diode 18 und des Widerstandes 19. Das verzögernde Netzwerk aus den Widerständen 20 und 21 sowie dem Kondensator 22 bildet den Mittelwert der während der negativen Halbwelle am Verbraucher 3 abgefallenen Spannung. Die Zeitkonstante des verzögernden Netzwerkes ist 50 mal größer als die Periodendauer der Versorgungswechselspannung. Dadurch wird die Linearität zwischen der Eingangseteuerspannung und der im Verbraucher 3 umgesetzten Leistung verbessert. Die am Widerstand 19 abfallende pulsierende Gleichepannung wird genügend geglättet, gleichzeitig ist der Einfluß des verzögernden Netzwerke auf das Zeitverhalten der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung doch vernachlässigbar klein, so daß sie im wesentlichen ein P-Verhalten aufweist. Der Basis des Steuertransistors 8 wird die vorzeichenbewertete Summe des Eingangsstromes ie, des Rückführstromes r und eines Verriegelungsetromes iv zugeführt. Die Wirkung des Verriegelungsstromes iv wird weiter unten beschrieben. Zwischen der negativen Eingangeklemme und der Basis des Steuertransistors 8 liegt der Widerstand 23. Zur Erläuterung der Wirkungsweise der gesamten Schaltungsanordnung sei zunächst angenommen, daß der Verriegelungsstrom iv vernachlässigbar klein sei. Ist unter dieser Voraussetzung der Eingangsstrom i e größer als der Rückführstrom ir, so ist der Steuertransistor 8 gesperrt. Das bedeutet, daß der bidirektionale Thyristor 4 zu Beginn der positiven Halbwelle gezündet wird und daß über die Folgesteuerung des Folge transistors 10 auch die negative Halbwelle gezündet wird. Damit vergrößert sich aber auch der Rückführstrom i ir, der ein Maß für die im Verbraucher umgesetzte Leistung ist, und die Differenz zwischen dea Eingangsstrom ie und dem Rückführstrom ir verringert sich.
  • Ist zu Beginn der nächsten positiven Halbwelle der Eingangsstrom e immer noch größer als der Rückführstrom ir, so wird der bidirektionale Thyristor zu Beginn der positiven Halbwelle wieder gezündet und durch die Folgesteuerung gleichfalle zu Beginn der darauffolgenden negativen Halbwelle. Hat der Rückführstrom r zu Beginn der nächsten positiven Halbwelle die Größe des Eingangsstromes i e erreicht, so wird der Steuertransistor 8 in den leitenden Zustand gesteuert.
  • Die Spannung über dem Kondensator 6 wird begrenzt und damit kann dem bidirektionalen Thyristor 4 während der positiven und auch während der darauffolgenden negativen Halbwelle kein Zündimpuls zugeführt werden.
  • Uber den Widerstand 24 wird der Basis des Steuertransistors 8 dann noch zusätzlich der Verriegelungastrom iv zugeführt.
  • Der Widerstand 24 ist so dimensioniert, daß der Einfluß des Verriegelungestromes iv bis zu einem elektrischen Winkel von 200 bezogen auf den Nulldurchgang der positiven Halbwelle bei der vorzeichenbewerteten Summation der Ströme ie, ir und iv vernachlässigbar klein ist. Eine Zündung des bidirektionalen Thyristors 4 ist deshalb nur bis zu einem Winkel von 200 möglich. Danach ist der Verriegelungsstrom iv 50 groß, daß er unabhängig von der Größe der Differenz aus dem Rückführstrom ir und dem Eingangsstrom ie den Steuertransistor 8 leitend steuert. Die Zündung eines Leistung paketes, das mindestens aus einer positiven und aus einer negativen Halbwelle besteht, ist also nur während eines elektrischen Winkels von etwa 80 bis 200 nach dem Nulldurchgang der positiven Halbwelle möglich. Dieser Bereich ist in Fig. 2 in einem Liniendiagramm der Versorgungsechselspannung schraffiert dargestellt. Durch das Einführen des Verriegelungsstromes iv arbeitet der Stellverstärker als Null spannungsschalter, da die größte am bidirektionalen Thyristor 4 vorkommende Schaltspannung nur etwa 1/3 des Scheitelwertes der Vereorgungswechselspannung beträgt. Während der negativen Halbwelle begrenzt die Diode 25 die Basis-Emitterspannung des Steuertransistors 8 auf die Diodendurchlaßspannung.
  • Diese Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß sie keine zusätzliche Gleichspannungsversorgung benötigt, eondern daß die Arbeitsspannungen auf einfache Weise aus der Versorgungewechselepannung abgeleitet werden. Weiterhin hat die Schaltung den Vorteil, daß der Stellverstärker als Nullspannungsschalter arbeitet und damit die Nachteile der hat senanschnittsteuerung vermeidet. Durch die Verbindung der iwangaläufigen Steuerung des Folgetransistors 10 mit der Wirkungsweise als Nullepannungaschalter ist die Gleichstrommagnetisierung des Versorgungstransformators auf einen vernachlässigbaren Wert verringert worden. Durch die Rückführung der Verbraucherspannung ist gewährleistet, daß für 100 ffi der Eingangssteuerspannung der Stellgrand 100 % beträgt, solange die Leistung des Verbrauchers größer als 2 % der durch die Wahl des bidirektionalen Thyristors festgelegten zulässigen Vorbraucherlelstung ist.
  • Pig. 3 zeigt ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit angeschlossenei Verbraucher. Bei dieser Schaltungsanordnung tritt eine geringere Verlustleistung als bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 auf. Gleichzeitig besitzt diese Schaltung einen größeren Eingangswiderstand als die Schaltung nach Fig. 1.
  • In der Fig. 3 sind die Bauelemente, die mit denen der Fig. 1 übereinstimmen, mit denselben Bezugszeichen vereehen. Der Widerstand 7 wurde durch die Reihenschaltung des Kondensators 7' und eines im Verhältnis zum Widerstand 7 kleinen Widerstandes 7', ersetzt. Die im Widerstand 7" umgesetzte Verlustleistung ist geringer als die im Widerstand 7 umgesetzte Verlustleistung. Solange die Begrenzungsechaltungen aus den Transistoren 8 und 10 und den Dioden 9 und 11 unwirksam sind, wirkt das Netzwerk aus den Kondensatoren 6 und 7' und den Widerständen 7" und 26 im wesentlichen die kapazitiver Spannungsteiler. Dieser Spannungsteiler ist so ausgeleßt, daß die Schaltungsanordnung ohne die Begrenzungsschaltung den bidirektionalen Thyristor 4 bei einem-elektrischen Winkel von etwa 8° nach dem Nulldurchgang jeder Halbwelle der Versorgungswechselspannung zündet. Der Widerstand 26 dient zur Entladung der Kondensatoren 6 und 7'. Ist der Transistor 28-leitend, wird der Verriegelungsstrom iv der Basis des Steuertransistors 8 über den Widerstand 24, die Diode 27, den Widerstand 29 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 28 zugeführt. Der Transistor 28 erhält seine Arbeitsspannung über den Widerstand 30. Ist der Transistor 28 während der ersten 200 der positiven Halbwelle leitend, so ist der Steuertransistor 8 gesperrt und der bidirektionale Thyristor 4 erhält einen Zündimpule. Ist der Transistor 28 während der ersten 200 der positiven Halbwelle gesperrt oder aber sind mehr als 200 elektrisch nach dem Nulldurchgang der positiven Halbwelle vergangen, 80 ist der Steuertransistor 8 leitend und es wird eine Zündung des bidirektionalen Thyristors 4 verhindert. Die Dioden 25 und 31 dienen zur Spannungsbegrenzung wahrend der negativen Halbwelle. Das Netzwerk aus der Diode 27 und dem Widerstand 32 bewirkt eine Nullpur.ktkorrektur der Kennlinie, die die Abhängigkeit des Stellgrades bzw. der mittleren im Verbraucher umgesetzten Leistung von der Eingangssteuerspannung darstellt.
  • Wegen des Ersatzes des Widerstandes 7 durch die Reihenschaltung des Kondensators 7' und des Widerstandes 7" beginnt sich der Kondensator 6 bereits während der negativen Halbwelle mit dem Beginn der positiven änderung der Veraorgungswechsel spannung nach der Zeit auf eine positive Spannung auf- + zuladen. Durch die Reihenschaltung der Widerstände 29 und 30 wird die Begrenzungsschaltung aus dem Steuertransistor 8 und der Diode 9 auch während der negativen Halbwelle der Versorgungswechselspannung wirksam und vermeidet so eine unbeabsichtigte Zündung des bidirektionalen Thyristors 4 in der zweiten Hälfte der negativen Halbwelle.
  • Zur Kompensation des geringen D-Verhaltens, das durch das yerzögernde Netzwerk 20, 21, 22 in der Rückführung verursacht wird, dient das aus den Widerständen 23 und 33 sowie dem Kondensator 34 bestehende RC-Netzwerk im Eingangskreis.
  • Ist der Eingangsetrom e größer als der Rückfuhrstrom ir, so wird der bidirektionale Thyristor 4 gezündet und es fließt durch den Verbraucher 3 ein Strom, der den Rückführstrom ir solange vergrößert, bie der Rückführstrom gleich dem Eingangsstrom ist. Die Zündung des Thyristors 4 wird dann solange verhindert, bis der Rückführstrom ir den Eingangsstrom e wieder unterschreitet. Wie in der Schaltungaanordnung nach der Fig. 1 werden Jeweils nur volle Perioden gezündet.
  • Fig. 7 zeigt den Spannungsverlauf am Verbraucher für verschiedene Werte des Stellgrades. Bei einen Stellgrad von 0 % fließt kein Strom durch den Verbraucher und bei einem Stellgrad von 100 % fließt während jeder Periode der Versorgungswechselspannung Strom durch den Verbraucher. Bei den in Fig. 7 % gezeigten Liniendiagrammen sind 10 Periodn der Versorgungswechselspannung als Zeitbasis gewählt worden. Entspricht die Eingangssteuerspannung einem anderen Stellgrad als den in der Fig. 7 gezeigten Beispielen, so stellt sich die Zeitbasis zwangeläufig auf eine andere Anzahl von Perioden der Versorgungswechselspannung ein Fig. 4 zeigt eine bekannte Schaltungsanordnung mit zwei antiparallel geschalteten Thyristoren 35 und 3, , deren Steuerelektroden über den Übertrager 37 und die Dioden 38 und 39 an eine gemeinsame Steuerelektrode 40 geführt sind. Der bidirektionale Thyristor 4 in den Figuren 1 und 3 kann durch die in Fig. 4 gezeigte Schaltungsanordnung ersetzt werden. Durch diese Kunstschaltung ist es möglich, antiparallel geschaltete Thyristoren durch die ZUndimpulse einer Zweiwegschaltdiode zu zünden.
  • Um eine Potentialtrennung zwischen der Versorgungsspannung und der Eingangssteuerspannung zu erreichen, wird den Schaltungsanordnungen nach Fig. 1 und Fig. 3 ein passiver Gleichspannungswandler vorgeschaltet. In Fig. 5 ist ein unter dem Namen Flußwandler bekannter passiver Gleichspannungsw'andler gezeigt. Die Eingangssteuerspannung wird den Klonen 41 und 42 des Plußwandlers zugeführt. An die Klemmen 43 und 44 wird die Schaltungsanordnung nach Fig.1 oder Fig. 3 angeschlossen.
  • aufgrund der nur geringen Verlustleistung (insbesondere im Hinblick auf die Schaltung der Fig. 3) und der geringen Anzahl von Bauelementen ist es möglich, die beschriebene Schaltungsanordnung auf einer einzigen Isolierstoffplatte anzuordnen, die ihrerseits zweckmäßigerweise so in dem freien Raum eines Kühlkörpers mit H-förmigem Querschnitt für den bidirektioüalen Thyristor 4 befestigt ist, daß kein Bauteil über die äußeren Begrenzungsflächen des Kühlkörpers hinausragt. Fig. 6 zeigt den räumlichen Aufbau. In dem oberen freien Raum des Kühlkörpers 45 befinden eich die Anschlußklemmen 46 und 47 für die Eingangssteuerspannung, die Anschlußklemmen 1 und 2 für die Versorgungswechselspannung und die Anschlußklemmen 1 und 48 für den Verbraucher 5.
  • Der bidirektionale Thyristor 4 ist in den Kühlkörper 45 eingepreßt. In dem unteren freien Raum des Kühlkörpers 45 ist die Isolierstoffplatte 49 mit der elektronischen Schaltung.befestigt. Da kein Gehäuse für die Schaltungsanordnung erforderlich ist, kann die Verlustwärme gut von dem Kühlkörper abgeführt werden.

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    2. Schaltungsanordnung zur kontaktkosen Steuerung der Leistung von Wechselspannungsverbrauchern, insbesondere Von elektrischen Heizungen, mittels Impulsgruppensteuerung, bei der die Ausgangsleistung proportional der Eingangssteuerspannung ist, mit einem bidirektionalen Thyristor, in dessen Zündkreis die Reihenschaltung eines bidirektionalen Triggerelementes und eines Kondensators liegt und das bidirektionale Triggereleient einen definierten Zündimpuls für die Thyristoren abgibt1 wenn die an Kondensator anliegende Spannung die Durchbruchspannung des bidirektionalen Triggerelementes überschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Kondensator (6) eine Begrcnzungsschaltung (8 bis 11) liegt, welche in Abhingigkeit von einem Steuersignal entweder die Spannung am Kondensator (6) auf einen Wert unterhalb der Durohbruchspannun des bidirektionalen Triggerelementes (5) begrenzt oder aber. un.
    wirksam ist.
    2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß die Begrenzungaschaltung aus zwei antiparallel geschaltoten Reihenschaltungen besteht, die Jeweils einen Transistor (8, 10) und eine Diode (9, 11) in Durchlaßrichtung enthalten, wobei die eine Reihenschaltung (8, 9) während der positiven Halbwelle und die andere Reihenschaltung (10, 11) während der negativen Halbwelle wirksam i6t9 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal für den einen Transistor (Steuertransistor 8) frei wählbar ist, während dasEingangssignal für den anderen Transistor (Folgetransistor 10) aus dem Spannungsabfall über dem Verbraucher (3) abgeleitet ist und eine durch den Steuertransistor (8) verursachte Zündung der einen Halbwelle eine Zündung der darauffolgenden Halbwelle der entgegengesetzten Polarität bewirkt.
    4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Netzwerk (24, 27, 28, 29) vorgesehen ist, das aus der am Thyristor (4) anliegenden Spannung einen Verriegelungsstrom (1v) ableitet und dem Steuertransistor (8) zuführt, welcher die Zündung der gesteuerten Halbwelle nur in dem Bereich zwischen 8° und 20° nach dem Nulldurchgang der Versorgungswechselspannung gestattet.
    5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückführungsschaltung vorgesehen ist, die einen Gleichrichter (18) und ein vorzögerndes Netzwerk (20 bis 22) enthält, das dem Mittelwert der gleichgerichteten Verbraucherspannung bildet, die über einen Widerstand (21) einer Summationsschaltung im Verstärkereingang zugeführt ist, welche die Differenz aus dem Rückführstrom (ir) und dem Eingangsstrom (ie) bildet.
    6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkon.tante des verzörgernden Netzwerkes (19 bis 22) in der Rückftthrung mindestens 50 mal so groß wie die Periodendauer der Wechselepannung ist.
    7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Eingang der Schaltungsanordnung ein passiver Gleichspannungswandler (Fig. 5) vorgesehen ist.
    8. Schaltungsanordnung nach einen der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sur Verringerung der Verlustleistung der Ladewiderstand (7) für den ICondensator (6) durch die Reihenschaltung eines Kondensators (7') und eines Widerstandes (7'') ersetzt und dem Steuertransistor (8) ein weiterer Transistor (28) in Emitterschaltung vorgeschaltet ist, dessen Emitter mit dem Emitter des Steuer- % transistors (8) und dessen Kollektor über einen ersten Widerstand (29) mit der Basis des 8teuertransistors (8) und über einen zweiten Widerstand (30) iit dem Kollektor des Steuertransistors (8) verbunden ist.
    9. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der sorherw gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Schaltungsanordnung auf dem Kühlkörper (45) für den bidirektionalen Thyristor (4) befestigt ist, wobei kein Bauteil über die äußeren Begrenzungsflächen des Kühlkörpers hinausragt.
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