DE1912903A1

DE1912903A1 - Halbleiterschaltung zur Phasenanschnittssteuerung

Info

Publication number: DE1912903A1
Application number: DE19691912903
Authority: DE
Inventors: Galloway James Howard
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-03-15
Filing date: 1969-03-14
Publication date: 1969-10-09
Also published as: US3558922A; FR2004031A1; GB1257531A

Description

Patentanwalt

g. Wilhelm Reichel

FicmIrfuii/Maiii-4

Pcnikatiaßeia 3856

GENERAI EIECiDHIC COMPAHY, Schenectady, N.Y.,V.St.A,

Halbleiterschaltung zur Phasenanschnittssteuerung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterschaltung zur Steuerung der von einer Wechselstromquelle über einen durch ein Auslösesignal betätigbaren Schalter an einen Verbraucher während eines von dem Betrag eines veränderbaren Steuersignals bestimmten, veränderbaren Abschnitts ;]eder Wechselstromhalbwelle abgegebenen Energie.

Der durch ein Auslösesignal betätigbare Schalter kann aus einem oder mehreren Thyristoren aufgebaut sein. Dabei kann es sich auch um steuerbare bidirektionale Thyristoren handeln.

Zur Anschnittsphasensteuerung von Thyristoren sind bereits zahlreiche Schaltungen bekannt. Im vorliegenden lall besteht (

die Aufgabe darin, eine Halbleiter-Steuerschaltung zu schaffen, die direkt von der Wechselstromquelle betrieben werden kann und mit der man den Ehergiefluß von der Wechselstromquelle zum Verbraucher über den gesamten Bereich von 0$ bis 100$ steuern oder regeln kann. Die neue Halbleiterschaltung soll insbesondere zur VoUweg-Phasensteuerung in Verbindung mit bidirektionalen Thyristoren geeignet sein.

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Diese Aufgabe wird bei dor eingangs beschriebenen Halbleiterschaltung nach der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Betrag/ Zeit-Umforraerschaltung in jeder Wechselstromhalbwelle zu einem auf den Beginn der betreffenden Halbwelle bezogenen Phasenwinkel, der vom Betrag des der Umformerschaltung zugeführten Steuersignals abhängt, ein Tastsignal erzeugt, das zu diesem Zweck ein an die Wechseistroinquelie angeschlossener Vollweggleichriehter der Umformerschaltung eine Speisegleichspannung zuführt, die am Ende jeder Wechselstromhalbwelle auf den Wert Hull abfällt, und daß ein Auslösesignalgenerator aufgrund des von der Umformerschaltung.erzeugten Tastsignals das Auslösesignal für den zwischen die Wechselstromquelle und den Verbraucher geschalteten Steuerbaren Schalter erzeugt.

Die erfindungsgemäße Schaltung eignet sich insbesondere zur Steuerung der über einen bidirektionalen Thyristor an einen ohmschen oder ohmsch-induktiven Verbraucher abgegebenen ' Energie. Ein typisches Anwendungsbeispiel ist die Drehzahl*- steuerung oder Drehzahlregelung, von Weehselstrom-Induktionsmotoren.

Vorzugsweise sind nach der Erfindung sämtliche Schaltungselemente der Steuerschaltung in einem Halbleiterkörper monolithisch integriert. Ausgenommen sind lediglich diejenigen Schaltungselemente, die für die verschiedenen Anwendungszwecke verändert werden müssen.

Ferner weist die erfindungsgemäße Schaltung vorzugsweise eingebaute Einrichtungen auf, die zum Schutz der Thyristoren dienen. Dabei kann es sich, unreine Blockierschaltuag handeln, die in Abhängigkeit von der an Thyristor liegenden Spannung die Erzeugung des Auslöseimpulses verhindert.

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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben.

Pig. 1 zeigt als Blockschaltbild die Grundeinheiten einer energie- oder stromsteuernden Anlage, für die der Erfindungsgegenstand geeignet ist.

Pig. 2 zeigt als Blockschaltbild die in· Pig. 1 dargestellte Ehergiesteueranlage zusammen mit den Baueinheiten einer nach der Erfindung aufgebauten Halbleiter-Steuerschaltung.

Pig. 3 zeigt das Schaltbild einer nach der Erfindung aufgebauten Halbleiter-Steuerschaltung, die nach der in Pig. 2 dargestellten Weise zur Energiesteuerung oder ä Energieregelung benutzt wird.

Pig. 4 zeigt die Zeitverläufe von einigen Spannungen der in Pig. 3 dargestellten Schaltung.

Pig. 5 zeigt das Schaltbild einer weiteren erfindungsgemäßen Schaltung, die der in Pig, 3 dargestellten Schaltung ähnlich ist. Allerdings sind fast alle Schaltungselemente monolithisch integriert.

Pig. 6 zeigt die Oberseite einer in Silicium-Monolith-Technik ausgebildeten integrierten Schaltung mit den Schaltungselementen, die in Pig. 5 von der gestrichelten Linie 51 umgeben sind. ■ '

Pig. 7 zeigt einen Teil der in Pig. 5 dargestellten Schaltung, die zur Drehzahlsteuerung oder Drehzahlregelung an einen Motor angeschlossen"ist. '

Pig. 8 zeigt einen Teil der in Pig. 5 dargestellten Schaltung, die zur Steuerung von zwei antiparallelgeschaltet en Thyristoren dient.

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Eine im Blockschaltbild von Pig. 1 dargestellte Halbleiter-Steuerschaltung 50» die nach den Maßnahmen der Erfindung aufgebaut sein kann, dient zur Steuerung von elektrischer Energie, die von einer Wechselstromquelle 43 mit Anschlußklemmen 44 und 46 einem Verbraucher 42 zugeführt wird. Bei dem Verbraucher 42 kann es sich um eine ohms ehe oder eine ohmsch- ^nduktive Belastung handeln, beispielsweise um einen Einphaseninduktionsmotor, wie einen Kondensatormotor mit Spaltphase oder einen Motor mit ausgeprägten Polen. Um zur Energiezufuhr mit einer Anschnittssteuerung gute Ergebnisse zu erzielen, sollte die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie eines derartigen Motors vor allem von den Mittelwertanderungen der zugeführten Motorspannung abhängig sein. Da die nach der Er-'' findung aufgebaute Schaltung in der Lage ist, den die Energiezufuhr bestimmenden Phasenanschnittswinkel für jede Halb-welle im wesentlichen innerhalb des gesamten Bereiches von 0° bis 180° zu ändern, kann man die Drehzahl eines derartigen Motors nahezu über den gesamten Bereich, also von Ofo bis 100$ verändern. Auf diese Weise können sehr kleine Drehzahlen ■ eingestellt werden. Ein derartiger Motor weist vorzugsweise anstelle von Gleitlagern Kugellager auf.

Dem Verbraucher 42 wird die Leistung von der Wechselstromquelle 43 über einen· Schalter 48 zugeführt, der ein steuerbarer Halbleiterschalter sein kann. Der Schalter 48 kann aus zwei antiparallelgeschalteten unidirektionalen Thyristoren oder aus einem einzigen bidirektionalen Thyristor, einem sog. Triac, aufgebaut sein, Unidirektionale Thyristoren sowie bidirektionale Thyristoren bzw. Triacs werden in dem "GE SCR Manual", 4. Auflage, 1967, Kapitel 6, 7 und 8, herausgegeben von der General Electric Company beschrieben. Eine Vollweg- "' Anschnittssteuerung der dem Verbraucher 42 .zugeführten Energie wird mit einer nach der Erfindung aufgebauten Steuerschaltung 50 erreicht, die den Schalter 48 während jeder Halbwelle der Wechselstromquelle 43 zu einem vorgewählten, aber ver- . änderbaren Zeitpunkt oder Phasenwinkel einschaltet oder in

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den leitenden Zustand bringt. Die Steuerung des Triac 48 wird durch ein von der Schaltung 50 erzeugtes Auslösesignal vorgenommen, dessen zeitliches Auftreten in jeder Halbwelle erneut festgelegt wird..

Die Arbeitsweise einer nach der Erfindung aufgebauten Steuerschaltung wird an.Hand des in Pig. 2 gezeigten Blockschaltbilds erklärt. An eine Klemme 12 der Schaltung 50 wird ein Eingangssteuersignal gelegt, bei dem es sich um die Ausgangsspannung eines Potentiometers, Thermistors oder Tachogenerators, aber auch um irgendeine andere Spannung handeln kann, deren Wert einer gewünschten Regel- oder'Steuereinstellung analog ist. Der Betrag des an der Klemme 12 liegenden Eingangssignals wird in eine passende Zeitspanne umgeformt, die in jeder Halbwelle einem Abschnitt, beispielsweise einem Phasenwinkel P, entspricht. Diese Umformung wird von einer durch einen Block 18 dargest.ellten Umformerschaltung vorgenommen, die mit einem durch einen Block 20 dargestellten Bezugsspannung sgener at or und einem durch einen Block 22 dargestellten Vergleicher zusammenarbeitet. Das Ergebnis dieser Betrag/Zeit- oder Betrag/Phasenwinkel-Umformung ist ein vom Vergleipher 22 in jeder Wechselstromhalbwelle erzeugtes Ausgangssignal, das an einer Leitung 24 auftritt und bezüglich des Anfangszeitpunktes der Halbwelle um einen gewissen Phasenwinkel verzögert ist, der sich in Abhängigkeit von dem Betrag des Eingangssteuersignals an der Klemme 12 ändert.

Eine geeignete Betrag/Zeit-Umformerschaltung 18 ist beispielsweise eine Schaltung, die eine ansteigende bzw. abfallende und trapez- oder sockeiförmige Spannung erzeugt. Derartige Schaltungen sind bekannt und im einzelnen in dem genannten "GE SCR Manual", Kapitel 9.5.2 beschrieben. Diese Schaltungen erzeugen Spannungsverlaufe, die jeweils synchron mit einer Halbwelle der Wechselstromquelle auftreten. Die erzeugten Spannungsverläufe enthalten im allgemeinen einen sägezahnähnlichen Teil mit einer momentanen Amplitude, die sich wäh-

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rend der Halbwelle in Abhängigkeit von der Zeit ändert, und einen sockelförmigen Teil mit einer Amplitude, die während-, der Halbwelle im wesentlichen konstant ist. Die Amplitude oder der Betrag der sockelförmigen Spannung ändert sich in Abhängigkeit vom Betrag des Eingangssignals. Dadurch ändert sich in jeder Halbwelle der Zeitpunkt oder der Phasenwinkel, bei dem die aus der im allgemeinen sägezahnähnlichen oder andersartig ansteigenden oder abfallenden Spannung und sockelförmigen Spannung gebildete Summenspannung mit einer vorgegebenen Bezugsspannung übereinstimmt. Me Vergleichsschaltung stellt die Differenz zwischen der Bezugsspannung an der leitung 20 und der Summenspannung fest. Wenn die beiden Spannungen gleich sind, liefert der Vergleicher ein Ausgangesignal, dessen Phasenwinkel in irgendeiner Weise dem Betrag des Eingangssignals entspricht.

IaIIs es sich bei dem Schalter 48 um einen Triac handelt, dann spricht der Schalter 48 nur an, wenn beim Auftreten des Auslösesignals eine hinreichend hohe Spannung am Triac liegt« Es kann beispielsweise vorkommen, daß bei einem ohmsch-indufctiven Verbraucher der Strom gegenüber der Spannung nacheilt, so daß der Triac noch Strom führt, wenn die Speisespannung bereits den Wert Null erreicht und die andere Halbwelle der sinusförmigen Spannung begonnen hat. Um zu verhindern, daß unter diesen Umständen dem Triac 48 ein Auslösesignal zugeführt wird, ist eine Tor- oder Blockierschaltung vorgesehen, die durch den Block 26 dargestellt ist. Die Blockierschaltung 26. verhindert, daß das Ausgangssignal des. Vergleichers 22 zu einem durch einen Block 28 dargestellten Zündimpulsgenerator gelangt. Die Blockiers-chaltung 26 bewirkt also, daß den Triac nur dann ein Zünd- oder Auslösesignal erreicht, wenn er hinreichend ausgeschaltet oder nichtleitend ist und an ihm eine hinreichend hohe Spannung liegt, die beim Auftreten des Zündsignals mit Sicherheit das Einschalten oder Umschalten in den leitenden Zustand bewirkt. ■ ■

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Fig. 3 zeigt das Schaltbild einer nach der Erfindung aufgebauten Halbleiterschaltung. Zum besseren Verständnis wird 'das in Pig. 3 dargestellte Schaltbild in Verbindung mit dem Blockschaltbild nach Pig. 2 beschrieben. Die Klemmen 44 und 46 der Wechselstromquelle 43, die 120 V und 60 Hz haben kann, sind mit Schaltungsanschlüssen oder Klemmen 5 und 6 verbunden. Der Triac 48 ist zusammen mit dem in Reihe geschalteten Verbraucher 42 ebenfalls an die Klemmen 44 und 46 angeschlossen. Ein Kondensator"CL, der zum Zünden des Triac 48 als Energiespeicher dient, ist mit den Klemmen 5 und 6 verbunden. Zwischen, die Klemmen 5 und 44 ist ein Strombegrenzungswiderstand Rg geschaltet. Ein weiterer Widerstand Rj ist zwischen eine Klemme 9 und den gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen dem Triac 48 und dem Verbraucher 42 geschaltet.. Ein.Widerstand ;.-R , der die Steigung der .Abfall- oder Anstiegsspannung (| steuert, ist mit Klemmen 7 und 11 verbunden.

Die Wechselstromquelle ist über die Anschlüsse 5 und 6 sowie den Strombegrenzungswiderstand Rg"mit einem Vollwegbrückengleichrichter aus Dioden D-, Dp, D-z und D. verbunden. Die Ausgangsspannung dieses Brückengleichrichters ist eine vollweggleichgerichtete Sinusspannung, die bei den Fulldurchgängen der Speisewechselspannung jeweils auf den Wert Null absinkt. Die Brückengleichrichter-Ausgangsspannung wird von einer Zenerdiode Dq und einem Transistor Q-.·, begrenzt, um eine Bezugsgleichspannung zu liefern. Eine mit der Zenerdiode Dq in Reihe geschaltete Diode D₀ dient zur Temperaturkompensation der Zenerdiode Dq. Während je'der Halbwelle, in der der Brük- ' kengleichrichter zu einer Klemme 1 Strom liefert, bleibt der Transistor Q., so lange gesperrt, bis sich an der Zenerdiode Dq die Durchbruchspannung aufgebaut hat; Danach bleibt der ' Transistor Q-, so lange leitend, bis die Spannung an der Klemme 1 wieder unter die Zenerspannung der Diode Dq abge- fallen ist. Auf diese Weise wird an der Klemme 1 eine Bezugsgleichspannung erzeugt, die während des größten Teils jeder Wechselstromhalbwelle auf einen'festen Wert begrenzt

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ist, der der Zenerspannung der Diode Dq plus dem Basis-Emit-' ter-Abfall am Transistor Q₁^ entspricht. Die vollweggleichgerichtete und von der' Z-enerdiode Dq "begrenzte Gleichspannung erscheint zwischen der Klemme 1 und einer Klemme 10, wobei die Klemme 1 gegenüber der Klemme 10 positiv ist. Diese Spannung dient als Speisespannung für den Spannungsgenerator 18, der die Anstiegs- und Soekelspannung erzeugt, und für den Be zugs spannungsg enerat or 20.· Ein Widerstand E₇ und eine Diode D₇ vervollständigen den Rückweg zu den Dioden D-* und D, des Brückengleichrichters.

An die Klemmen 1, 12 und 10 sind in der gezeigten Weise in Reihe geschaltefe veränderbare Widerstände R. und R^ angeschlossen. Mit den Widerständen R. oder R^ kann man an der Klemme 12 eine Spannung einstellen, deren Betrag dem gewünschten Eingangssignal proportional ist. Wenn es sich bei dem Verbraucher 42 um einen Induktionsmotor handelt, dann kann der Widerstand R₁₃ ein von Hand einstellbares Potentiometer sein, dessen" veränderbarer Widerstand den Zündwinkel des Triac 48 in'jeder Wechselstromhalbwelle festlegt. Damit wird die dem Motor zugeführte Energie und die Motordrehzahl gesteuert.

Ein Kondensator Cp, ein· Widerstand Rg, der Widerstand R und Transistoren Q₁₀ und Q₁₁ bilden in der in Pig. 3 gezeigten Zusammenschaltung die dem in Pig. 2 dargestellten Block .18 entsprechende Schaltung, die die Anstiegs-'und Sockelspannung liefert. Die Betriebsweise dieser Schaltung ist aus Pig. 4 ersichtlich. Während jeder an den Klemmen 5 und 6 auftretenden Wechselstromhalbwelle lädt die an dem Gleichspannungsteiler R., R-p auftretende Gleichspannung den Kondensator Cp •sehr schnell negativ auf den am Anschluß 12 auftretenden Sockelspannungswert auf, nämlich auf den ■R./CRa+R-d)-fachen ■ Wert der Spannung am Anschluß 1. Diese Sockelspannung ist ander Stelle 17 in Pig. 4 gezeigt. Dieser Wert wird dadurch eingestellt, daß der Widerstand R^gegenüber dem Widerstand R.

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geändert wird. Danach wird 'in derselben Ilalbwelle der Kondensator Op entsprechend der in Pig. 4 gezeigten Kurve 16 durch * den Halbsinuswellenstrom, der von der Klemme 1 über den Transistor Q-_o und den Widerstand R zur Klemme 7 fließt, negativ geladen. Infolge dieses weiteren Ladungsstromes durch den Kondensator Cp nimmt die in Pig. 4 gezeigte Kurve 16 die Porm eines kosinusformigen Anstiegsfunktion an. Weil dieser Strom von dem äußeren Emitterwiderstand E des Transistors Q₁₀ gesteuert wird, kann man mittels des-Widerstands R₀. die Steigung und Amplitude der Anstiegsfunktion 16 einstellen. Da der Speisestrom durch den Transistor Q₁₀ sinusförmig ist, sieht die in Pig. 4 dargestellte Anstiegsfunkt ion kosinusförmig aus. Der sinusförmige Ladestrom des Kondensators Cp rührt ; von dem Spannungsabfall des Speisestroms am Widerstand R₇ her. · f Dieser Spannungsabfall stellt die Basisspannung am Transistor Q₁₀ dar. Die Diode D₇ dient zur Kompensation der Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q₁₀» um sicherzustellen, daß der Strom durch den Widerstand R denselben.sinusförmigen Verlauf

aufweist, wie der Strom durch den Widerstand R₇.

In der beschriebenen Schaltung zur Erzeugung der Ansti.egs- und Sockelspannung wird- also, wie es an der Stelle 17 in. Pig. 4 gezeigt ist, der Kondensator C₂ in jeder"Halbwelle sehr schnell auf eine Spannung geladen, die gleich der Gleichspannung an der Klemme. 1 ist, vermindert um den Emitter-Basis-Abfall am Transistor Q₁P und.um die von den Widerständen Rt, und R. bestimmte So ekel spannung. Danach lädt sich der Xon- · densator Cp entsprechend.der in Pig. 4 gezeigten Kurve 16 auf den an der Stelle 19 gezeigten Anstiegsspannungswert auf. Auf diese Weise kann man die durch die.Kurve 16 dargestellte algebraische Summe der Anstiegsspannung und Sockelspannung zu einem bestimmten Zeitpunkt oder zu einem bestimmten Phasenwinkel in der Halbwelle in Übereinstimmung mit einem vorgegebenen Bezugsspannungswert bringen, und zwar in Abhängigkeit von der Einstellung des Widerstandes Rg gegenüber dem Widerstand R.. Aufgrund dieser Übereinstimmungsbe.dingung erzeugt

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der dem in Pig. 2 gezeigten Block 22 entsprechende Vergleicher ein Ausgangssignal, das den Zündzeitpunkt des Triac 48 festlegt.

Die dem Block 22 entsprechende Vergleicherschaltuhg wird von Transistoren Q·*, Q, und Q₅, einem Widerstand E,, und einer Diode Dc gebildet, die in der gezeigten Weise zusammengeschaltet sind. In Jeder Halbwelle vergleicht die Vergleichsrschaltung die an der Klemme 13 auftretende Anstiegs- und Sockelspannung mit der Spannung an der Klemme 2, die von * einem dem in Pig. 2 gezeigten Block 20 entsprechenden Bezugsspannungsgenerator stammt. Der Bezugsspannungsgenerator enthält einen Spannungsteiler mit in Reihe geschalteten Wi- ■■■■ derständen R₁, Rp ^un(^ R3· ^^er Spannungsteiler ist an die Klemmeni und 10 angeschlossen. Die Bezugsspannung tritt an der Klemme 2 auf und kann, sofern es erwünscht ist, durch weitere der Klemme 2 zugeführte Spannungen modifiziert werden. Die Transistoren Q, und Q, arbeiten als Differenzenverstärker, der die Spannung an der Klemme 13 mit der Spannung an der Klemme 2 während jeder Halbwelle der Wechselstroinspannung vergleicht. Der Differenzenverstärker kompensiert die an den verschiedenen Elementen der gesamten Schaltung auftretenden Temperaturänderungen. Die aus den Transistoren Q, und Q(- gebildete Darlingtonschaltung hat den Vorteil, daß sie für den Kondensator CU einen hohen Widerstand darstellt und ferner einen zusätzlichen Basis-Emitter-Spannungsabfall liefert, um den Basis-Emitter-Abfall des als Emitterfolger geschalteten Transistors Q₁₂ ^zu kompensieren. Die an der Klemme 12 auftretende bzw. am Widerstand R-g abfallende, zum Zünden des Triac 48 erforderliehe Spannung ist bei fehlender Anstiegsspannung oder zu Beginn des Anstiegs im wesentlichen dieselbe Spannung wie die Bezugsspannung an der Klemme 2. Sie unterscheidet sich von ihr lediglich durch die verhältnismäßig kleinen Differenzen der Basis-Emitter-Spannungsabfälle der Transistoren Q~, Q/'-Q^ ^und ^i2*

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Der den "beiden Zweigen des Differentialvergleichers 22 gemeinsame 'Strom fließt durch die Diode D₁-, den Y/lderstand R, und einen Transistor Q₇ zum Anschluß.7, also zur-Ausgangsklemme für die negative Spannung des Brückengleichrichters. Der Transistor Q₇ ist ein Teil der in Pig. 2 durch den Block 26 dargestellten Blockierschaltung. Außer dem Transistor Q₇ enthält die Blockierschaltung; eine Diode Dg, weitere Transistoren Qg und Qn, Widerstände E^ und R_Q sowie den Widerstand Rj. Die genannt· ten Bauelemente sind in der in Pig. 3 gezeigten Weise verbunden. Wenn durch den Triac 48 ein Vertraueherstrom fließt oder wenn aus irgendeinem Grunde die Spannung am Triac nicht aus- " reicht, um den Triac aufgrund eine's Auslösesignals an der Klemme 3 zu zünden, dann reicht die an dem Widerstand R₁- anfallende Spannung nicht aus, um die Basis des Transistros Qg oder des Transistors Qq auszusteuern. Daher bleibt der Transistor Q₇ gesperrt,und der gemeinsame Strom des Vergleichers 22 kann nicht fließen. Der Vergleicher 22 wird also gesperrt oder blockiert und kann über die Leitung 24 zum Zünden des Triac 48 kein Steuersignal abgeben. Die Blockierschaltung verhindert, daß die zum Zünden des Triac im Kondensator C, gespeicherte Energie sinnlos aufgebraucht wird, wenn der Triac 48 überhaupt nicht in der Lage ist, auf das Auslösesignal anzusprechen., Dies ist beispielsweise der Pail, wenn die am Triac liegende Spannung zum Zünden nicht ausreicht oder wenn der Verbraucher 42 hinreichend induktiv ist, so daß der Strom der Spannung nacheilt und noch fließt, wenn die neue Halbwelle der Wechselstromspannung bereits begonnen hat. Wenn jedoch der Triac 48 ausgeschaltet oder nichtleitend ist und an ihm eine Speisespannung liegt t dann liefert der Strom durch den Widerstand R-j. eine BasisSteuerspannung, die die Transistoren Qg, Q_Q und Q₇ in den leitenden Zustand schaltet, so daß der den beiden Zweigen des Vergleichers gemeinsame Strom fließen kann und der Differenzvergleicher betriebsbereit ist. Der eingestellte Wert am Widerstand R₁ bestimmt die Größe von derjenigen Spannung am Triac 48, die zum Einschalten der Betriebsbereitschaft des

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Vergleichers 22-notwendig ist. .Falls die Blockierschaltung nicht "benötigt wird, beispielsweise weil der Verbraucher 42 rein ohmsch ist, kann man die Transistoren Q₇, Qo und Qq, die Diode Dg und die Widerstände Rp-, R_Q und Rj weglassen und den Widerstand R. direkt mit der Klemme 7 verbinden.

Wenn der Vergleicher 22 von der Blockierschaltung 26 nicht gesperrt ist, nimmt das Emitterpotential des Transistors Q, infolge der Emitterfolgerwirkung ab, und der Transistor Q^ be-_;. ginnt zu leiten, sobald das Potential an der Klemme.13 zu Beginn jeder Halbwelle zunächst auf einen Pegel angestiegen ist, der im wesentlichen dem Potentialpegel an der Klemme ^entspricht und dann während der Anstiegsladung des Kondensators Cp auf einen Pegel abgefallen ist, der dem Bezugspotential an der Klemme 2 entspricht, wie es in Pig. 4 gezeigt ist.

Das dabei am Kollektor des Transistors 'Q, auftretende Signal steuert einen aus zwei antiparallelgeschalteten steuerbaren PNPN-Halbleiterschaltern Q₁ und Q₂ aufgebauten bilateralen Schalter. Die steuerbaren Halbleiterschalter bilden einen Teil des in Pig. 2 durch den Block 28 dargestellten Zündgenerators. Die Anode des HaIbleit erschalters Q₁ und die Katode des Halbleiterschalters Q₂ sind mit der Klemme 5 verbunden. Die Katode "des Halbleiterschalters Q₁ und die Anode des Halbleiterschalters Qp sind an die Klemme 6 angeschlossen. Die anodenseitigen Steuerelektroden der Halbleiterschalter Q₁ und Qp sind mit dem Kollektor des Transistors Q^ verbunden. Das katodenseitige Steuergitter des Halbleiterschalters Q₁ ist über einen Widerstand Rp₁ an die Klemme 3 und das katodenseitige Steuergitter des Halbleiterschalters Q₂ über einen Widerstand R₂p an die Klemme 5 angeschlossen. Aufgrund des Ste-Urersignals vom Kollektor des Transistors Q, wird der Halbleiterschalter Q. leitend, wenn die Klemme 5 positiv ist, und der Halbleiterschalter Qp wird leitend, wenn die Klemme 5 negativ . ist. Bei den steuerbaren Halbleiterschaltern handelt es sich ·

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um herkömmliche .PHPET-S ehalt er, die auch als SC S~Scha.lt er bekannt sind. Wenn man zwei von diesen Schaltern antiparallelsehaltet, erhält man einen symmetrischen steuerbaren bidirektionalen Schalter. Die -SCS-Schalter sind im einzelnen im "GE Transistor Manual", 7. Auflage, 1964, Kapitel 16.-, herausgegeben von der General Electric Company,, beschrieben.

Beim Zünden der einen Hälfte des aus den Halbleiterschalter)! Q₁ und Q₂ gebildeten bilateralen Schalters entlädt sich der Kondensator C₁ in die Steuerelektrode des Triac 48 und veranlaßt dadurch, daß der Triac 48 in den leitenden Zustand übergeht. Da sich die Auslöseimpulse des bilateralen Schalters Q₁, Qp mit derselben Polarität ändern wie die Wechselstromspannung an den Klemmen 44 und 4o, kann man mit den Auslöseimpuls en den Triac 48 direkt zünden oder über einen Impulstransformator antiparallel- geschaltete, unidirektionale Thyristoren ansteuern.

Um den Kondensator C₂ am Ende jeder Halbwellenperiode auf einen vorbestimmten Pegel zurückzusetzen, ist ein Transistor Qg vorgesehen, der an die Klemmen 1 und 13 sowie an den Verbindungspunkt der Widerstände Ep und R,; angeschlossen ist. Der Transistor Qg wird durch die Spannungsteilerwiderstände R₁J₁Rp und R-z so lange gesperrt, bis die ETetzspannungshalbwelle nahezu auf Null abgenommen hat. Die am'Kondensator Cp liegende Spannung steuert dann die Basis des Transistors Qg an, wobei der Kondensator Cp auf eine Spannung entladen wird, die dem Basis-Emitter-Spannungsabfall des Transistors Qg entspricht.

Eiach der Erfindung wird somit eine verbesserte Halbleiterschaltung zum Erzeugen von Zünd- oder Auslösesignalen geschaffen. Dabei wird in jeder Halbwelle der Netzwechselspannung ein Ausgangsimpuls zum Zünden eines durch Auslösesignale steuerbaren Halbleite:rschälters, beispielsweise eines

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Triac, erzeugt. Der erzeugte Impuls tritt in jeder Halbwelle bei einem sich in Abhängigkeit von der Größe eines Eingang, s ^ signals ändernden Phasenwinkel auf.

Im folgenden werden die Werte, und Typenbezeiclinungen für die Bauelemente der in.Fig. 3 gezeigten Schaltung angegeben. Dabei handelt es sich allerding lediglich, um ein spezielles
Ausführungsbeispiel.

Widerstände	Kiloohm	Di od en Typ	1li4152	Transi st or en	■«10 .	Typ
' V	10		1H4152		Q₁₂
^ßB	10	•^B2	- 1N4t52
. ^Bi ■	50-200	^B3	1K4152: 1MI52	^Q3		2H3414
V ■*«	10-50 10-100	\	1Ε4152	V: %/		D16P
R₁	6,8	\	T1T4T52	«6		2ΙΪ3414
R₂	0,47	³V	1W4152		2N3414
H	3,3	¹¹S	%	2N5354
	3,9	^D9	Basia-En) itt er- QU Übergang von 2H339Q	2N5414
	4,7 '			2H3414
^R6	3,9			2U5-354
R₇	0,047		-	2:13414
%■	4,7
R₂₁	2,2
R₀o	2,2

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Kondensatoren Mikrofarad.

0,05 bis 0,1 0,01 bis 0,1

C	1	1
C	2	2
BiIa t erale S ehalt er
* Q
Q

3180 3N80

In der Pig. 5 ist eine weitere nach der Erfindung ausgebildete Schaltung gezeigt. Diese Schaltung ist dem in Pig. 5 gezeigten AusführungsBeispiel der Erfindung ähnlich, allerdings sind alle Schaltungselemente monolithisch integriert, mit Ausnahme von denjenigen Schaltungselementen, die bei den verschiedenartigen Anwendungszwecken verändert werden müssen. Bei der in I¹Ig. 5 gezeigten Schaltung sind alle Elemente, die bei dem in Pig. 3 gezeigten Schaltbild von der gestrichelten Linie 51 umgeben sind, monolithisch integriert. Hierzu wird eine bekannte Substratisolierung benutzt, die im englischsprachigen Schrifttum unter "back-biased junction diode isolation" bekannt ist,, Bei dieser "bekannten Isolierart ist die Substratzone oder der Substrat'berelch der monolithisch integrierten Schaltung im allgemeinen direkt mit demjenigen Punkt der Schaltung verbunden, der einen der Polarität des SubstratIeitungstyps am meisten entgegengesetzten Potentialwert aufweist. Ein Prleitendes Substrat ist also im allgemeinen direkt mit dem negativsten Punkt der Schaltung verbunden. Ia die in Pig. 5 gezeigte monolithische Schaltung mit ihren Anschlüssen 5 und 6 direkt an das Wechselspannungsnetz angeschlossen wird, hat die in Pig. 5 gezeigte monolithische Schaltung keinen Punkt, der nur Substratisolation während der gesamten Viechs elspannungsperiode von 360° auf einen gewünschten extremen Spannungswert bleibt. Wenn daher das Substrat mit einem einzigen Punkt verbunden

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wäre, um eine in Sperrichtung betriebene Diodenisolation des Substrats vorauseilen, wurden die Isolierdioden während eines-Teils der Wechselspannungsperiode von der Sperrichtung in die Vorwärtsrichtung übergehen, was eine chaotische Wirkung auf das Verhalten der Schaltung hätte.

Bei der in Pig« 5 gezeigten Schaltung v/ird diese Schwierigkeit.< dadurch gelöst und eine wirksame Substratisolierung während der gesamten Wechselspannungsperiode von 360° dadurch aufrechterhalten, daß die Dioden D~ und D₄ der in Pig. 3 gezeigten Vollweggleichrichterbrücke durch eine besondere Substratisolationssteuers chaltung ersetzt v/erden. Mit der Ausnahme, daß eine Substratisolationssteuerschaltung vorgesehen ist, die beiden SCS-Schalter Q₁, Q₂ in Fig. 3 durch einen bilateralen SBS-Schalter ersetzt sind, ein zusätzlicher Transistor Q..., vorgesehen ist, der die niedrige Verstärkung des PKP-Transistors Q₁P kompensieren soll, falls es sich bei dem Transistor Q₁₂ um einen lateralen Transistortyp handelt, lind die Dioden D₁ und Dp durch vier Basis-Emitter-Dioden D₁. und D₁-D sowie Dp, und Dp-η ersetzt sind, entspricht der übrige Teil der in Pig-. 5 gezeigten Schaltung der Schaltung nach Pig. 3, und die entsprechenden Schaltungsteile sind mit denselben Bezugszei-■chen versehen. Bilaterale SBS-Schalter sind im einzelnen in der Zeitschrift "Electronic Design", 30. August 1966 sowie im_ "GE SCR Manual", 4. Ausgabe, Kapitel 4.14.4, "herausgegeben von der General Electric Company, beschrieben. Die weitere Einzelbeschreibung der in Pig. 5 gezeigten "Schaltung wird daher auf die Substratisolationssteuerschaltung und ihre Betriebsweise beschränkt.

Der zur Substratisolierung dienende Steuerschaltungsteil der in der Pig. 5 gezeigten Schaltung besteht aus Transistoren Q-j/, Q-jc, Q-iß und Q₁₇ sowie aus Widerständen Rq und Η_1Ω· Die. Emitter der Transistoren Q₁/ ^und Q-15 sind gemeinsam mit einem Punkt D verbunden. Der Punkt D ist direkt mit dem monolith!--

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sehen Schaltungss'ubstrat S verbunden. Der Kollektor des Transistors Q₁. ist an einen Punkt B und an die Klemme 5 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors Ck₁- ist mit einem Punkt A und mit der Klemme 6 vex'bunden. Die Basis des Transistors Q., ist an den Kollektor des Transistors Q₁ ^- angeschlossen, dessen Emitter mit einem Punkt E verbunden ist. Die Basis des Transistors Q₁ c ist an den Kollektor des Transistors Q₁₇ angeschlossen, dessen Emitter mit dem Punkt E verbunden ist. Der Punkt E ist mit der Klemme 7 verbunden und ist der negative Gleichspannungspunkt des monolithischen Teils der in I¹Xg. 6 gezeigten Schaltung, Ein Vorspannwiderstand Rq ist zwischen den Kollektor des Transistors Q₁ . und die Basis des Transistors Q₁^ geschaltet. Ein weiterer VorspannWiderstand R._]0 ist zwischen den Kollektor des Transistors Q₁,- und die f

Basis des Transistors Q₁₇ geschaltet.

Zur Erläuterung soll angenommen v/erden, daß das monolithische Substrat P-leitend und die Schaltungsklemme 5 positiv ist, Der Eingangsstrom von der Klemme 5 fließt dann durch die Diode D.. sowie durch die zwischen der Klemme T und 10 angeordnete Schaltung und kehrt zum Punkt E zurück, Der Rückstrom fließt durch die Emitter-Basis-Diode des Transistors Q₇ und erreicht dabei die Basiszone des Transistors Q₁₇ > wo er in zwei Teile aufgespalten wird. Der eine Teil fließt durch den EmitterBasis -Übergang des Transistors Q₁₇ und kehrt -über d.en Widerstand R₁Q zum Punkt A und der Klemme 6 zurück. Der andere Teil des Stromes fließt durch den Basis-Kollektor-Übergang des Transistors Q₁₇ und dient als Treiberstrom zum Einschalten des Transistors Q₁C. Wenn der Transistor Q₁₅ leitend ist, fließt der Treiberstrom durch den Kollektor-Basis-Übergang des Transistors Q₁C zum Schaltungsanschluß 6. Perner stellt der Transistor Q₁C im eingeschalteten oder leitenden Zustand oine Sfcromsenke dar, die sowohl sämtliche Sperrströme des Substrats S aufnimmt, die durch die verschiedenen Teila mit ständig entgegengesetztem leitungstyp der monolithischen Schaltung flie-

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ßen, als auch den Leckstrom des gesperrten Emitter-Basis-Übergangs des !Transistors CL^.

Während derjenigen Wechselstromhalbwelle, bei der die Klemme 5 gegenüber der Klemme 6 positiv und somit der Punkt B der negativste Punkt in der Schaltung ist, v/erden der Punkt D und das Substrat S vom Transistor Q.r auf einer Spannung gehalten, die höchstens um die Ko 11 eic tor-Emitter-Satt igungsspannung des Tranaistors Q₁,- über dem Punkt B liegt. Da die Sättigungsspannung etwa 0,2 Volt beträgt, also kleiner als die Spannung von 0,7 Volt ist, die man 'benötigt, um die Substratisolierdioden in Vorwärtsrichtung leitend au machen, wird die gewünschte Substratisolation aufrechterhalten, und es werden keine Ladungsträger vom Substrat über die ΡΪΓ-Übergänge der Isolationsdioden injiziert, so daß die Betriebsweise der integrierten Schaltung nicht goatört wird und keine unerwünschten parasitären Transistorwirkungen auftreten. Während der Transistor Q.c leitend ist, sind beim Transistor Q^g beide Übergänge gesperrt, so daß der Transistor Q₁«-gesperrt bleibt. und den durch den Transistor Q₁₅ fließende Speisestrom" nicht ableiten kann. .

Während der anderen V/echs eist ro nihalbwelle, bei der die Klemme negativ und die Klemme 6 positiv ist, leiten die Transistoren Q.. und Q.g und halten dabei den Punkt D und das Substrat S auf einem Potential, das höchstens um den Sättigungsspannungs— abfall.am Transistor Q₁, über dem Potential des negativsten Punktes der integrierten Schaltung liegt. Die Widerstände Rq und "R-JQi die beispielsweise TOO Ohm betragen können, kompensieren den Sättigungswiderstand des PilP-Übergangs und den Unterschied zwischen der Basis-Emitter-Spannung der Transistoren Q..g 'und Q.y sowie der Basis-Kollektor-Spannung der Transistoren. Q,, und Q₁Cf um auf diese Weise zu verhindern, daß., die Sättigungsspannung des Transistors Q₁ , oder des Transistors Q]C die Schwellenspannung, der Substratisolationsdioden

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überschreitet. Jails es sich um ein N-leitendes Substrat S handelt, v/erden zwar die Polaritäten der verschiedenen Transistoren vertauscht, jedoch bleibt die grundsätzliche Betriebsart der Isolationssteuerschaltung die gleiche.

Durch die Isolationssteuerschaltung werden daher die Substratisolierdioden der integrierten Schaltung während der gesaraten Wechselstromperiode von 360° niemals leitend, obwohl an der Klemme 1 eine vollweggleichgerichtete Ausgangsspannung auftritt, die die übrige integrierte Schaltung speist.

Pig. 7 zeigt ein Anwendungsbeispiel der in Pig. 5 dargestellten Schaltung. Dabei ist mit einem Y/echselstrommotor, der den Ver- A braucher 42 darstellt, ein Gleichspannungstachogenerator gekoppelt, der anstelle des in Pig, 5 gezeigten Widerstandes R-n eine Steuersignalspannung an die Klemme 12 liefert, um die Drehzahl des Motors 42 zu regeln. Die Ausgangsspannung des Tachogenerators 34 wird von einem Kondensator G^ gefiltert. Ein Potentiometer R„ gibt entsprechend der eingestellten Solldrehzahl einen Teil der vom Tachogenerator 34 gelieferten Spannung an die Klemmen 12 und 10 der mit der gestrichelten Linie 51 umgebenen integrierten Schaltung ab.

In der Pig. 8 ist ein weiteres Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Steuerschaltung nach Pig. 5 gezeigt. Hierbei dient die Steuerschaltung zum Einschalten eines Schalters 48, ( der aus zwei antiparallelgeschalteten unidirektionalen Thyristoren SCR., "und SCRp besteht, die über einen Impulstransformator T-, mit einem Windungsverhältnis von 1 zu 1 gezündet werden.

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Claims

Pat entans prüche

1 ^Halbleiterschaltung zur Steuerung der von einer Wechselstromquelle über einen durch ein Auslösesignal betätigbaren Schalter an einen Verbraucher während eines von dem Betrag eines veränderbaren Steuersignals bestimmten, veränderbaren Abschnitts jeder Wechselstromhalbwelle abgegebenen Energie, dadurch gekennzeichnet , daß eine Betrag/Zeit-Umformerschaltung (18) in jeder Wechselstrorohalbwelle zu einem auf den Beginn der betreffenden Halbwelle bezogenen Phasenwinkel, der vom Betrag des der Umforroerschaltung zugeführten Steuersignals abhängt, ein Tastsignal erzeugt, das zu diesem Zweck ein an die Wechselstrornquelle (43) angeschlossener Vollweggleichrichter (D- bis D.) der Umformerschaltung eine Speisegleichspannung zuführt, die am Ende jeder Wechselstromhalbwelle auf den Wert KuIl abfällt, und daß ein Auslösesignalgenerator (23) aufgrund des von der Umformersehaltung erzeugten Tastsignals das Auslösesignal· für den zwischen . die Wechselstromquelle (43) und den Verbraucher (42) geschalteten steuerbaren Schalter (48) erzeugt.
2.' Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Blockierschaltung (26) in Abhängigkeit von der am Schalter (48) liegenden Spannung die Erzeugung des Tastsignals verhindert.'
3. Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Betrag/Zeit-Umformerschaltung eine zur Erzeugung.einer Anstiegs- und Sockelspannung dienende Schaltung mit einem Sockelspannungsgenerator, der in Abhängigkeit vom Betrag des Steuersignals eine Sockelspannung erzeugt, und mit einem Anstiegsspannungsgenerator, der in jeder Wechselstromhalbwelle eine in der Amplitude zunehmende Anstiegsspannung erzeugt, ferner eine Bezugsspannungsgeneratorschaltung (20) und noch eine Vergleicherschaltung (22) aufweist,

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die zur'Erzeugung'des Tastsignals die von der Bezugsspannungsgenerator schaltung erzeugte Bezugsspannung mit der von der Anstiegs spannungs- und Sockelspannungsgeneratorschaltung erzeug-, ten Anstiegs- und Socke!spannung vergleicht. -
4. Halbleiterschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e k e η nz e i e h η e t , daß mindestens die Vollweggleichrichterschaltung und ein Teil der Betrag/Zeit-Umformerschaltung in einem monolithisch integrierten Halbleiter körper enthalten sind, dessen Substrat von den übrigen Teilen der integrierten Schaltung durch Isolierdioden mit in Sperrrichtung vorgespannten PN-Übergängen isoliert ist, und daß eine Isoliersteuerschaltung auf die Polaritätsänderungen der Wechselstromq.uelle anspricht und verhindert, daß die Isolierdiodenin Vorwärtsrichtung betrieben werden.

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