DE2111695A1 - Einrichtung zur Abgabe einer Zuendspannung fuer Halbleiterschalter - Google Patents

Description

K. Apel - 22

HOlZER PATENT AG, CH-6301 Zug, Poststr. 14

ike Priorität der Anmeldung 013794/70 vom 17.9.1970 in der Schweiz ist in Anspruch genommen.

Einrichtung zur Abgabe einer Zündspannung für Halbleiterschalter

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, die nach dem Phasenanschnittprinzip arbeitet, zur Abgabe einer Zündspannung für Halbleiterschalter.

Phasenanschnittschaltungen sind heute bereits in vielen verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Die Steuerspannung wird z.B. mit einem Sägezahn verglichen, der synchron zur Hetzhalbwelle verläuft. Bei Gleichheit von Steuer spannung und Sägezahn wird ein Zündimpuls erzeugt. In anderen Ausführungsbeispielen beeinflußt z.B. die Steuerspannung die Anstiegsgesehwindigkeit eines Sägezahns, der synchron mit der Netzhalbwelle gestartet wird. Der Zündimpuls v/ird

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bei diesem Verfahren "bei Überschreiten eines vorbestimmten Schwellwertes erzeugt.

Die bekannten Schaltungen, mit denen dia beiden erwähnten Verfahren durchführbar sind, lassen sich in zwei große Gruppen einteilen. Eine erste Gruppe benützt nur die eine £ Netzhalbwelle; hierbei treten Eigenschaften auf, die denen von Einweggleichrichtern sehr ähnlich sind.. Eine zweite Gruppe verwendet beide Netzhalbwellen; je nach Schaltung der Leistungsschalter lassen sich hierbei Eigenschaften eines Zweiweggleichrichters erreichen. In jedem Fall aber, verlaufen die Sägezahne synchron mit der Netzspannung. Sofern beide Hetzhalbwellen verwendet v/erden, weisen die Sägezähne die doppelte Frequenz gegenüber dem Verfahren mit nur einer Netzhalbwelle auf.

Um Sägezähne doppelter Netzfrequenz zu erzeugen, wird also eine Spannung gebraucht, welche diese Frequenz aufweist. Das gilt auch für den Fall, daß die steilen Flanken des Sägezahnes nicht mit den Null-Stellen der Net:^frequenz genau zusammenfallen. Die einfachste Art, eine Verdoppelung der Netzfrequenz zu erreichen, ist die Verv/endung eines Zweiweggleichrichters. Bekannte Zweiweggleichrichter v/erden entweder mit Transformatoren oder mit Graetz-Schaltungen aufgebaut. Die Verwendung von Transformatoren steht aber

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"dem Verlangen nach billigen, kleinen und leichten Geräten entgegen. Die Verwendung, von transformatorlosen Graetz-Gleichrichtern ist nicht möglich, da keine der Ausgangsklemmen des Gleichrichters mit einer Hetzklemrae identisch ist. Es gelingt deshalb nicht, die Fußpunkte der elektronischen Schalter niit dem Fußpunkt des Sägezahnerzeugers zu verbinden. -

Die bisher bekannten Schaltungen weisen darüber hinaus den Nachteil auf, daß im verwendeten Transformator Verzerrungen der Spannungs- bzw, Stromkurven auftreten. Hinzu kommt noch , daß Ein- und Ausschaltschwingungen des Transformators zu Fehlschaltungen der verwendeten Phasenanschnittsteuerungen führen können.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine elektronische Schaltung ohne Transformator zu schaffen, mit der es möglich ist, den aus beiden Halbwellen der Netzspannung resultierenden Strom zu beeinflussen. Die Schaltung soll so aufgebaut werden, daß Verzerrungen im Spannungsverlauf zuverlässig vermieden werden. Der Anmeldungsgegenstand ,soll sehr klein, kostensparend und mit geringem Gewicht aufgebaut werden können, die Schaltung soll möglichst keine für die einzelnen Schaltelemente schädliche Wärme erzeugen.

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Erfindungsgemäß v/erden vorstehende Aufgaben dadurch gelöst, daß Mittel zur Erzeugung von Zündimpulsen zur Zündung der Halbleiterschalter vorgesehen sind, daß Mittel zur Erzeugung einer sägezahnähnlichen Spannung vorhanden sind, deren langsamer Anstieg sich je nach erforderlichem Zündwinkel des Halbleiterschalters über zwei aufeinanderfolgende Hetzhalbwellen'erstrecken kann, und daß Mittel zur Erzeugung zusätzlicher, in Nähe der Null-Stelle zwisehen den beiden Netzhalbwellen liegender Zündimpulse vorgesehen sind, die immer dann v/irksam werden, wenn während der ersten Halbwelle bereits ein Zündimpuls aufgetreten ist.

Der Anmeldungsgegenstand weist gegenüber den bekannten Einrichtungen die Vorteile auf, daß die gesamte Schaltung sehr klein und kostensparend aufgebaut werden kann; auf die Verwendung eines kostspieligen und schädliche Wärme erzeugenden Transformators kann völlig verzichtet werden; hierdurch werden Eehlschaltungen der Anschnittsteuerung durch Wegfall der Ein- und Ausschaltschwingungen des Transformators vollkommen vermieden. Bei Verwendung des Anmeldungsgegenstandes ist es möglich, mit geringstmöglichem Leistungsverbrauch auszukommen. Verzerrungen des Spannungsverlaufes werden ebenfalls durch den Verzicht eines Transformators vermieden.

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Der Anmeldungsgegenstand wird anhand eines Ausführungsbeispieles mit Hilfe von Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Pig. 1 ein Spannungs/Zeitdiagramm,^sdas einen

Sägezahn im Verhältnis zur Netsfrequenz zeigt,

Pig. 2 in einem Spannungs/Zeitdiagramm mehrere

NetzSpannungsverläufe, bei denen jeweils ' '■ein verschieden großer Zündwinkel angedeutet ist,

. 3a eine aus der Netzspannung gewonnene, trapezförmige Spannung,

Pi?* 3c durch Differentiation gewonnene Impulse,

Pig. 3d ein aus den Impulsen der Pig. 3b gewonnener Sägezahn,

Pig. 4 ein Ausführungsbeispiel des Anmeldungsgegenstandes,

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kSUb

Pig. 5 ein in der Schaltung nach Pig. 4 verwendbares Vierschichtelement,

Der Anmeldungsgegenstand geht von einem Sägezahn (Pig. 1) aus, der ITetzfrequenz aufweist. Dadurch'"wird erreicht, daß kein Zweiweggleichrichter zur Prequenzverdoppelung nötig ist. Mit diesem Sägezahn wird ein Phasenanschnitt durchgeführt, der den Zündwinkel über die ganze ITetzperiode, also um 360° verschieben kann. Wird der Strom durch einen Verbraucher mit Hilfe eines solchen Phasenanschnittes erhöht, so ergeben sich bei Einsatz eines Wechselstromschalters, z.B. eines Triacs nacheinander etwa Strom- bzw. Spannungsverläufe bzv/. Zündwinkelverschiebungen, wie sie in der Pig. 2 nacheinander dargestellt sind.

Durch Anwendung gleichrichtender Schalter oder durch nachgeschaltete Gleichrichter können beide Halbwellen der Kurvenverläufe, die in Pig. 2 dargestellt sind, auch in Halbwellen gleicher Polarität verwandelt werden.

Da alle Halbleiterschalter die Eigenschaft haben, in den gesperrten Zustand zu gehen, wenn die Spannung an ihnen zu 0 wird, kann- der Verlauf nach Pig. 2 nicht einfach durch einen Zündiiapuls erzeugt werden, dessen lage über die Periode verschoben wird. Liegt z.B. der Zündimpuls

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in der ersten Halbv/elle (Pig. 2), dann würde der Halbleiterschalter beim Nulldurchgang gesperrt, und während der zweiten Iialbwelle würde kein Strom mehr fließen. Es ist also notv/endig, beim Nulldurchgang immer dann einen zweiten Impuls zu erzeugen, wenn der ers'te Zündimpuls in der ersten Iialbwelle lag. Lag er in der zweiten HaIbwjelle, darf dieser zusätzliche Impuls natürlich nicht wirk-Si'am werden. Allgemein kann gesagt werden, daß der eigent-, liehe Zündimpuls über zwei Halbwellen hinweg verschiebbar ist. Lag in der ersten Halbwelle bereits ein Zündimpuls, so wird ein.zweiter Zündimpuls erzeugt, der nahe am Nulldurchgang zv/ischen beiden Halbwellen liegt.

Der Anmeldungsgegenstand wird an einem Ausführungsbeispiel anhand der Pig. 4 erläutert. Aus einem Netz 31 wird der Schaltung Netzspannung zugeführt, aus der eine trapezförmige Spannung (Mg. 3a) gewonnen wird. Zur Gewinnung der Trapezspannung v/erden eine Zenerdiode 6 sowie ein ohnehin vorhandener Vorwiderstand 5 verwendet.

Einseitig unmittelbar am Netz 31 liegt ein Verbraucher 4, z.B. ein Elektromotor, der mit seinem zweiten Anschluß über einen elektronischen Schalter, z.B. einen Triac 3» zeitweise an das Nets angeschlossen werden kann.

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Bin Gleichrichter 7 und ein Siebkondensator 8 erzeugen

gesiebte Gleichspannung für die Schaltung. Der Triac 3 wird von einem Trigger gesteuert, der im wesentlichen aus zv/ei Transistoren 9 und 10 besteht. An zwei Eingangsklemmen 1 und 2 wird ein phasenbestimmendes Eingangssignal gelegt. Eine Diode 11 sowie ein Widerstand 12 dienen Iediglich dazu, Rückwirkungen des Triacs 3 vom einen Transistor 10 des Triggers fernzuhalten.

Eine Diode 14 dient zum Schutz der Basis des Transistors 9 vor zu hohen Sperrspannungen. Ein Widerstand 13 soll Rückwirkungen auf die SteuerSpannungsquelle verhindern. Zweckmäßigerweise werden zwei Begrenzungswiderstände 15 und 16 verwendet, da Impulsstrom über beide Basen fließt; die bei-, den Widerstände sind aber nicht unbedingt erforderlich.

Der in Pig. 3d gezeigte Sägezahn wird mit einem Widerstand und einem Kondensator 19 erzeugt. Der negative Impuls nach Mg* 3b entsteht an der Basis eines Transistors 17. Eine an dieser Basis angeschlossene Diode 20 -unterdrückt den positiven Impuls, ein in der Basisleitimg liegender Widerstand 21 begrenzt den Basisstrom. Während der Zeitdauer des Impulses wird der Transistor 17 kurzzeitig geöffnet. Der Kollektor und der Emitter dieses Transistors 17 v/erden hier-

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durch auf ein,Potential gebracht, das durch die beiden Widerstände 22 und 23 bestimmt wird. Dadurch öffnet eino von zwei bisher gesperrten Dioden 24 und"25. Ist die Spannung am Kondensator 19 zu hoch, so öffnet die eine Diode 24, ist die Spannung am Kondensator 19 zu niedrig,.so öffnet die andere Diode 25· Durch das öffnen der Dioden 24 und wird die Spannung am Kondensator 19 auf das !Potential am Widerstand 23 gebracht. Da die Widerstandswerte der beiden Widerstände 22 und 23 relativ klein sind, geschieht das Anlegen des jeweiligen Potentials an den Kondensator 19 schlagartig. Die in Pig. 3b gezeigten Impulse bringen also das Potential am Kondensator 19 auf den tiefsten Wert des in Fig. 3d gezeigten sägezahnförmigen Spannungsverlaufes. Hierdurch ist der netz synchrone Verlauf des Sägezahnes gewährleistet.

Das Potential am Kondensator 19 ist beim Eintreffen des Impulses am Transistor 17 dann zu hoch, wenn während beider Halbwellen der Trigger nicht gekippt ist. Das Potential am Kondensator 19 ist dann zu niedrig (nahezu 0), wenn ein Zündimpuls erzeugt worden ist.

Der in Pig. 3o gezeigte positive Impuls entsteht an der Basis eines weiteren Transistors 26. Bin an der Basis des

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Transistors 26 angeschlossener Widerstand 28 begrenzt den Basisstrom, eine Diode 27 unterdrückt negative Impulse.

Wird der Transistor 26 durch einen Impuls geöffnet, so werden Emitter und Kollektor auf ein Potential gebracht, das durch zwei Widerstände 23 und 30 bestimmt ist. Die-

!es Potential ist etwas niedriger als der niedrigste Wert es in Fig. 3d gezeigten Spannungsverlaufes. i . .. .

Hat der Trigger während der ersten Halbwelle nicht angesprochen, so ist die Spannung am Kondensator 19 höher als die Spannung am Widerstand 23. Die Diode 25 kann daher nicht öffnen, und der positive Impuls bleibt wirkungslos.

Wurde der Trigger während der ersten .Halbwelle geöffnet, so ist das Potential am Kondensator 19 beim Eintreffen 0f des positiven Impulses sehr niedrig. Der Impuls kann also über die Diode 25 zum Emitter des Transistors 9 gelangen. Da der Transistor 9 und damit auch der Transistor 10 geöffnet sind (Trigger hatte angesprochen), gelangt der Impuls über den Widerstand 12 zum Triac 3. Der Trigger wird also zugleich als Schalter für den "zweiten Impuls" verwendet. Seine Stellung ist das Kriterium· dafür, ob der zweite Impuls zum Triac 3 gelangt oder nicht.

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Heben dem büccliriebeneii Äusiahrungsbeispa el wäre eben-BO eine Anorct-iuns denltbar, bei der positive und negative Impulse vertauscht sind, indem die Diode 24 am Widerstand 30 und nicht am V/iderstand 22 liegen würde. Dadurch verschiebt sich der Sägezahn um eine ganze IlaTbwelle.

\7eiterhin wären andere- Trigger schaltungen* andere Strom¹ Versorgungen sov/ie anstatt des Triacs 3 andere Halbleiterschalter denkbar; anstatt des Triacs können ebensogut Thyristoren oder andere Halbleiterschalter verv/endet werden.

Anstatt der beiden Transistoren 9 und 10 des Triggers kann auch ein Vierschichtelement Kur Anwendung kommen (Pig. 5).

9 Patentansprüche

2 Bl, Zeichngn* m. 5 Mg.

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BAD ORiQlMAL

Claims (9)

1. . r Patentansprüche

   Einrichtung., die nach dem Phasenanschnittprinzip arbeitet, zur Abgabe einer Zündspannung für Halbleiterschalter, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel fe zur Erzeugung von Zündimpulsen zur Zündung der Halbleiterschalter "vorgesehen sind, daß Mittel zur Erzeugung einer sägezahnähnlichen Spannung vorhanden sind, deren langsamer Anstieg sich je nach erforderlichem Zündwinkel des Halbleiterschalters über zv/ei aufeinanderfolgende Netzhalbwellen erstrecken kann, und daß Mittel zur Erzeugung zusätzlicher, in Mähe der Null-Stelle zwischen den beiden Netzhalbwellen liegender Zündimpulse vorgesehen sind, . die immer dann wirksam werden, wenn während der ersten ♦ Halbwelle bereits ein Zündimpuls aufgetreten ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelf26, 29, 32)zur Erzeugung der zusätzlichen Zündimpulse durch einen Trigger (9, 10) wirksam gemacht werden, der bei Auftreten der ersten Zündimpulse seinen Schaltzustand ändert.

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3. 3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet _t daß der Trigger "(9, 10) gleichzeitig zur Erzeugung des ersten Zündimpulses dient.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch" gekennzeichnet, daß der Trigger (9,· 10) die Mittel (26, 29, 32) zur Erzeugung des zusätzlichen Zündimpulses dadurch wirksam macht, daß^ er selbst als Schalter wirkt.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Impulse durch Differentiation aus der Netzspannung gewonnen werden.
6. 6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangswert der sägezahnähnlichen Spannung durch Impulse erzeugt wird» die durch Differenzleren aus der Netzspannung gewonnen werden.
7. 7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. daß im Trigger ein pnp-Transistor (9) und ein npn-Transistor (10) wechselseitig jeweils über Kollektor und Basis in Wirkverbindung stehen, und daß der eine Transistor (10) als Verstär-

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   - t-

   ker v/irlrt und iCollsktorstron führt und am Emitter des anderen Transistors (9) die sägezahnförmige Spannung liegt.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß anstatt der beiden Transistoren (9 und 10) ein Vierschichtelement (Fig. 5) verwendet v/ird.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Impulse über einen im wesentlichen parallel zu einem iadev/iderstand (18) liegenden Transistor (26) an den Trigger gelangen.

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