DE2814904B2 - Triac-Schaltungsanordnung - Google Patents
Triac-SchaltungsanordnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Triac-Schaltungsanordnung mit vom Lastkreis über einen Transformator
galvanisch getrennter Steuerschaltung, bei der die Primärwicklung des Transformators parallel zur Reihenschaltung
von Last und Triac, sowie zu den Anschlüssen der Wechselspannungsquelle des Lastkreises
liegt und die Sekundärwicklung an eine Gleichrichterschaltung angeschlossen ist, wobei die gleichgerichtete
Spannung die Steuerschaltung speist.
Aus der US-PS 36 65 219 ist eine Triac-Schaltungsanordnung
ähnlich der eingangs genannten Art bekannt, bei der ein Triac eine Last mit einer Spannungsquelle
verhältnismäßig hoher Spannung verbindet, wobei der Triac mittels Signalimpulsen angesteuert wird, die durch
eine Halbleiterschaltung geliefert wird, welche an einer verhältnismäßig niedrigen Spannungsquelle liegt. Die
Übertragung der Steuerimpulse von der Halbleiterschaltung auf die Steuerelektrode des Triac erfolgt über
einen eine galvanische Trennung bewirkenden Transformator. Nachteilig bei der bekannten Schaltung ist,
daß zur Erzeugung der Betriebsspannung für die Halbleiterschaltung ein weiterer Transformator Verwendung
findet, der mit seiner Primärwicklung direkt an der Wechselspannungsquelle liegt, während die Sekundärwicklung
eine Gleichrichterschaltung speist, die ihrerseits die für die Halbleiterschaltung erforderliche
Betriebsenergie liefert.
Die bekannte Schaltung hat verschiedene Nachteile.
Zum einen führt der zusätzlich notwendige Transformator zu erhöhten Herstellungskosten, zum anderen
erhöht sich aoer auch das Gewicht und verringert sich
wegen zusätzlicher Bauteile die Zuverlässigkeit der Anordnung.
In der Druckschrift »Silicon Controlled Rectifier Manual« der General Electric Company, 1967, Seite !38,
Fig. 7.5 (c), wird eine Triac-Schaltungsanordnung beschrieben, bei der ebenfalls bereits eine galvanische
Trennung zwischen dem durch den Triac geschalteten Lastkreis und dem den Schaltvorgang auslösenden
Steuerkreis mit Hilfe eines Transformators vorhanden ist, wobei der Transformator neben der galvanischen
Trennung auch noch für den Steuerkreis eventuell benötigte Betriebsenergie liefert.
Bei der aus dieser Druckschrift bekannten Schaltung ist jedoch die Abschaltung der Last von der
Wechselstromquelle nicht vollständig, stattdessen fließt stets ein wenn auch geringer Reststrom über den Kreis,
der durch den Transformator und den den Triac steuernden Widerstand gebildet wird. Selbst bei
ausgeschaltetem Triac ist daher die Last nicht völlig stromlos, was bei bestimmten Anwendungsfällen von
Nachteil ist.
Entsprechendes gilt auch für eine Triac-Schaltungsar
Ordnung, die aus der Druckschrift »Application Note« der General Electric Company, 1966, Seite 14 Figuren
22 und 23 bekannt ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Triac-Schaltungsanordnung der eingangs genannten
A, t dahingehend zu verbessern, daß Herstellungskosten und Gewicht verkleinert und die Zuverlässigkeit erhöht
werden, indem die Notwendigkeit eines separaten Transformators für die Erzeugung des Betriebspotentials
für die elektronische Triac-Steuerung entfällt.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der Transformator lastseitig (primärseitig) eine zweite
Wicklung besitzt, die über einen Ohmschen Widerstand parallel zur Reihenschaltung von Last und Triac sowie
zu den Anschlüssen der Wechselstromquelle des Lastkreises liegt und daß zwischen Gleichrichterschaltung
und Steuerschaltung eine zwei Transistoren komplementären Leitfähigkeitstyps enthaltende Halbleiteranordnung
vorgesehen ist, wobei die Basis des einen jeweils mit dem Kollektor des anderen Transistors
verbunden ist und der Emitter des ersten Transistors und — über einen Widerstand — der
Kollektor des zweiten Transistors mit einem ersten Gleichstrom-Anschluß der Gleichrichterschallung verbunden
sind, während der Emitter des zweiten Transistors zusammen mit dem zweiten Gleichstrom-Anschluß
der Gleichrichterschaltung an dem einen Steueranschluß dei Halbleiterschaltung und der Kollektor
des ersten Transistors über einen Widerstand am anderen Steueranschluß, der außerdem über einen
Widerstand mit dem ersten Gleichstrom-Anschluß Jer Gleichrichterschaltung verbunden ist.
Durch diese besondere Anordnung wird ein besonderer Transformator für die Erzeugung der Betriebsspannung
der Steuerschaltung vermieden und dadurch die Herstellungskosten und das Gewicht gesenkt sowie die
Zuverlässigkeit der Gesamtanordnung erhöht, wobei die für den Betrieb der Steuerschaltung notwendige
Energie direkt der Wechselspannungsquelle entnommen wird und nicht über die Last fließt, so daß —
abgesehen von einem eventuell durch den Triac selbst fließenden Reststrom — bei abgeschaltetem Triac die
Last völlig stromlos ist.
An sich wäre die zur Ansteuerung des Triac über den Trenntransformator verwendete Halbleiterschaltung
nicht unbedingt notwendig, weil bereits dann, wenn die Sekundärwicklung des Transformators direkt von
einem Steuerschalter kurzgeschlossen wird, durch die dann primärseitig entstehende Konduktivitätsverminderung
ein den Triac einschaltender Strom zu fließen beginnt Allerdings ist. der dann durch den Steuerschalter
fließende Kurzschlußstrom verhältnismäßig hoch, so daß der Steuerschalter u. U. nicht mit Hilfe von digitalen
Halbleiteranordnungen verwirklicht werden kann. Insbesondere dann, wenn als Steuerschalter TTL-, RTL-,
DTL-, MOS-, CMOS-Schaltungen oder auch optoelektronische
Schaltkreise verwendet werden solien, ist es günstiger, die im Anspruch 1 genannte von einem
Brückengieichrichter gespeiste Halbleiteranordnung zwischenzuschalten, wodurch der durch den Steuerschalter
fließende Steuerstrom auf einen Wert verringert wird, der mit diesen logischen Schalteinrichtungen
kompatibel ist, siehe Anspruch 2.
Besonders günstig ist es, die Halbleiteranordnung so auszuführen, daß diese den von der Steuerschaltung
benötigten Betriebsgleichstrom liefern kann, sielie Anspruch 3. Für manche logischen Schalteinrichiungen
ist es günstig, gemäß Anspruch 4 zwischen Emitier des
zweiten Transistors und Steueranschluß eine Diode zu schalten, wodurch sich logische Kompatibilität erreichen
läßt.
In weiterer Verbesserung der erfindungsgemäßen Triac-Schaltungsanordnung könnte jeder Transistor
zwischen Basis und Emitter einen Kondensator zur Rauschunterdrückung aufweisen.
Die erfindungsgemäße Triac-Schaltungsanordnung kann auch noch dadurch verbessert werden, daß
zwischen dem Steueranschluß des Triac und dem freien Ende der zweiten Wicklung zwei gegenpolig parallel
geschaltete Dioden angeordnet liegen, wodurch die Ansteuercharakteristik des Triac berücksichtigbar ist. Je
nach der Einschaltspannung des für die Schaltung gewählten Triac können derartige Dioden auch
weggelassen oder die jeweilige Einzeldiode durch mehrere, in gleicher Richtung gepolte Dioden ersetzt
werden, siehe Ansprüche 6 und 7.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in der
Zeichnung dargestellt ist, die als einzige Figur ein schematisches Diagramm der erfindungsgemäßen
Triac-Schaltungsanordnung gemäß einer vorzugsweisen Ausführup.gsform wiedergibt. Die in der Figur
dargestellte Triac-Schaltungsanordnung weist einen Transformator 10 auf, der zum einen die für die
Halbleiteranordnung bzw. Steuerschaltung notwendige Betriebsenergie liefert, andererseits die galvanische
Trennung zwischen Steuerschaltung und Wechselstromquelle ergibt, die über den Eingangsanschlüssen 12
und 14 anliegt. Von der Wechselspannungsquelle gelieferte elektrische Energie wird über einen Serienwiderstand
18 einer Primärwicklung 16 des Transformators 10 zugeführt. Der Widerstand 18 wird zweckmäßigerweise
einen solchen Wert aufweisen, daß z. B. eine Wechselspannung von 150 V, 60 Hz. oder auch von
220 V, 50 Hz. verwendbar ist. Zu der Serienschaltung aus Wicklung 16 und Begrenzungswiderstand 18 liegt
die Serienschaltung aus Last 20 und Triac 22 parallel. Diese Last 20 soll mittels der erfindungsgemäßen
Triac-Schaltungsanordnung an die Wechselspannungsquelle an- bzw. abgeschaltet werden. Die Last kann
beispielsweise irgendeine elektronische oder elektrische Anlage sein, die vom Wechselstromnetz gespeist
werden soll.
Der Triac 22, der ein herkömmlicher Schalter mit 3 Anschlüssen ist, kann entweder durch positive oder
negative Steuerimpulse getriggert werden, wenn das Anodenpotential positiv bzw. negativ ist (siehe »Integrated
Electronics: Analog and Digital Circuits and Systems« von J. Millman und C. Halkias, Copyright 1972
bei McGraw-Hill, Inc.). Der Steueranschluß des Triac 22 ist über zwei gegenparallei geschaltete Diodenpaare
26—28 bzw. 30—32 mit einer zweiten Primärwicklung 24 des Transformators 10 verbunden. Es soll bemerkt
werden, daß die Dioden 26, 28 sowie 30 und 32 lediglich sicherstellen sollen, daß die Torsteuereigenschaften des
Triacs voll erfaßt werden, wobei (abhängig von der Spannungseinschaltcharakteristik des verwendeten
Triacs) derartige Dioden möglicherweise auch nicht erforderlich sind oder auch zusätzliche Dioden notwendig
werden.
Außerdem sei angemerkt, daß der Transformator 10 vorzugsweise bezüglich der ersten Primärwicklung 24
eine kleinere Windungszahl aufweist als hinsichtlich der zweiten Primärwicklung 16, wodurch sich eine erwünsch'e
Auftransformation des zur Steuerung des Triac notwendigen Stroms ergibt. Außerdem sollte der
Transformator so gewählt werden, daß er die für den jeweiligen Anwendungsfall vorgeschriebene Relation
/wischen den Primärwickluneen und der Sekundärwick-
lungergibt.
Als dritte Wicklung weist der Transformator 10 eine Sekundärwicklung 34 auf, die u. a. zur Lieferung von
Energie für die Halbleiterschaltung bzw. Steuerschaltung dient. Die von der Sekundärwicklung 34 gelieferte
Wechselspannung wird einer aus Dioden 36, 38, 40 und 42 gebildeten Gleichrichterschaltung zugeführt, wobei
diese Dioden in herkömmlicher Weise eine Gleichrichterbrücke bilden, durch die eine Vollweggleichrichlung
des vom Transformator gelieferten Wechselstroms bewirkt wird. Zwischen den Dioden 36, 40 bzw. 38, 42
liegt eine aus dem Widerstand 44, einem Widerstand 52, dem Basisemitterübergang eines ersten Transistors 50
(vorzugsweise vom NPN-Typ) und einer Diode 56 bestehende Serienschaltung. Die Verbindungspunkte
zwischen den Widerständen 44 und 52 bzw. zwischen der Diode 56 und den Dioden 42 und 38 sind mit
Anschlüssen 54 bzw. 58 verbunden, die die dargestellte Polarität aufweisen. Diese Anschlüsse sind als logisch
kompatible Eingänge für logische Schaltkreise wie TTL1 RTL, DTL, MOS, CMOS, Reed-Relais, Schalter,
Optoisolatoren, usw. vorgesehen, wie noch im folgenden näher erläutert wird.
Der Schaltkreis weist zusätzlich einen zweiten Transistor 48 auf, der vorzugsweise vom PNP-Typ ist
und mit seinem Emitterkollektorübergang zwischen den Dioden 36, 40 sowie dem Verbindungspunkt des
Widerstandes 52 mit der Basis des ersten Transistors 50 liegt. Die Basis des zweiten Transistors 48 ist direkt mit
dem Kollektor des ersten Transistors 50 sowie auch mit den Dioden 36,40 über einen Basisemitterwiderstand 46
verbunden. Obwohl dies in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, kann jeder Transistor bei seiner
Basisemitterstrecke zur Rauschunterdrückung einen Kondensator aufweisen.
Zur Erläuterung des Betriebs der erfindungsgemäßen Triac-Schaltungsanordnung sei angenommen, daß die
Anschlüsse 54 und 58 so polarisiert sind, wie es in den Zeichnungen dargestellt ist, und daß an die Anschlüsse
12, 14 eine Wechselspannungsquelle angeschlossen wird. In diesem Moment entsteht am Ausgang des die
Dioden 36, 38, 40 und 42 aufweisenden Brückcnglcichrichters
eine Halbsinuswelle, die einen Stromfluß durch Widerstand 44. Widerstand 52 und Basisemitterübergang
des Transistors 50 führt, der zur Brücke über die Diode 56 zurückgeführt wird. Der Transistor 50 wird
dadurch in den leitenden Zustand gebracht, wodurch wiederum der Transistor 48 eingeschaltet wird. Wenn
sowohl Transistor 48 wie auch Transistor 50 leiten, wird die Spannung über der Wicklung 34 auf einen
bestimmten Wert festgelegt. Aufgrund der Transformatorwirkung wird dann auch die Wicklung 24 »geklemmt«
jedoch ist die Höhe der durch diese »Klemmung« an der Wicklung entstehende Spannung
nicht ausreichend, um den Triac 22 in den Leitzustand zu bringen. Die Last 20 wird somit nicht erregt.
In diesem Betriebszustand ergeben sich weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung. Wie bereits
ausgeführt wurde, ist die Spannung über den Anschlüssen 54, 58 kompatibel mit logischen TTL-, RTL-, DTL-,
MOS- und CMOS-Schaltungen, wie auch mit Reed-Relais-Schaltern.
Optoisolatoren und dergl., wobei diese logische Kompatibilität der Steuerspannung durch eine
Spannungspegclverschiebung ermöglicht wird, die die Diode 56 bewirkt. Bei einigen logischen Schaltungen ist
diese Pegelverschiebung und damit die Diode nicht notwendig.
Die Anschlüsse 54 und 58 können mit einer entfernt angeordneten Schalteinrichtung verbunden sein, beispielsweise
mit einem einfachen mechanischen Schalter, der von Hand betäligbar ist und die Anschlüsse
kurzschließt. Die Anschlüsse 54 und 58 könnten andererseits auch durch einen Computer oder dergl.
miteinander elektrisch verbunden werden, z. B. mittels eines normalerweise nicht leitenden Transistors, dessen
Koückioremilierübergang in richtiger Polung zwischen
den Anschlüssen 54, 58 vorgesehen wäre und dessen Basis durch eine von einem Computer gelieferte
Stcuerspannung angesteuert wird, derart, daß der . Transistor für bestimmte Zeitperioden leitend gemacht
und dadurch die Anschlüsse 54, 58 kurzgeschlossen werden.
Sind die Anschlüsse 54 und 58 elektrisch miteinander verbunden, werden die Transistoren 48, 50 leitend
bleiben, bis die angelegte Wechselspannung den nächsten Nulldurchgang erreicht. In diesem Augenblick
verlieren die Transistoren 48, 50 den erforderlichen Aufrechterhaltungsstrom und schalten in den nichtleitenden
Zustand um. Sofort erzeugt der Ausgang des Transformators eine normale sinusförmige Spannung,
die über Wicklung 24 zur Steuerelektrode des Triac 22 übertragen wird, so daß dieser zu leiten beginnt und
dadurch den Serienschaltkreis schließt. Infolgedessen gelangt die an den Anschlüssen 12, 14 anliegende
Wechselstiromenergie nunmehr an die Last 20. Solange die Anschlüsse 54, 58 miteinander elektrisch verbunden
bleiben, ist die als Schalter wirkende Halbleiteranordnung abgeschaltet und die Last bleibt erregt. Außerdem
könnte die Spannung am Ausgang des Brückengleich-
··· richters für Meßzwecke wie auch für Leistungsversorgungszwecke
benutzt werden.
Die erfindungsgemäße Triac-Schaltungsanordnung stellt somit einen elektrischen Schalter zur Verbindung
einer Last 20 mit einer an zwei Anschlüssen 12, 14
1' anliegenden Wechselstromquelle dar, der unter galvanischer
Trennung von dieser Wechselstromlast von ferne gesteuert werden kann, u. a. auch mittels Digitalschaltungen.
Die Anordnung benötigt keine besondere Energieversorgungseinrichtung, vielmehr wird diese
■·» mittels des zur galvanischen Trennung benutzten
Transformators sowie mit einer Gleichrichterbrückenschaltung erzeugt. Im Gegensatz zu anderen eine
galvanische Trennung bewirkenden Anordnungen, wie optischen Koppeleinrichtungen, siehe die US-PS
'■'' 37 23 769, ist die vorliegende Schaltung unempfindlich
gegenüber eingestreuter elektromagnetischer Strahlung. Die erfindungsgemäße Schaltung löst den
Schaltvorgang im Nulldurchgang der Wechselspannungsquelle aus, so daß störende Schaltstromstöße
wl vermieden werden.
Claims (7)
1. Triac-Schaltungsanordnung mit vom Lastkreis über einen Transformator galvanisch getrennter
Steuerschaltung, bei der die Primärwicklung des Transformators parallel zur Reihenschaltung von
Last und Triac, sowie zu den Anschlüssen der Wechselspannungsquelle des Lastkreises liegt und
die Sekundärwicklung an eine Gleichrichterschaltung angeschlossen ist, wobei die gleichgerichtete
Spannung die Steuerschaltung speist, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (10)
lastseitig (primärseitig) eine zweite Wicklung (16) besitzt, die über einen Ohm'schen Widerstand (18)
parallel zur Reihenschaltung von Last (20) und Triac (22) sowie zu den Anschlüssen (12, 14) der
Wechselstromquelle des Lastkreises liegt, und daß zwischen Gieichrichterschaltung (36—42) und
Steuerschaltung eine zwei Transistoren (48, 50) komplementären Leitfähigkeitstyps enthaltende
Halbleiteranordnung (44—52) vorgesehen ist, wobei die Basis des einen jeweils mit dem Kollektor des
anderen Transistors verbunden ist und der Emitter des ersten Transistors (48) und — über einen
Widerstand (46) — der Kollektor des zweüen Transistors (50) mit dem ersten Gleichstrom-Anschluß
der Gleichrichterschaltung (36—42) verbunden sind, während der Emitter der zweiten
Transistors (50) zusammen mit dem zweiten Gleichstrom-Anschluß der Gleichrichterschaltung
(36—42) an dem einen Steueranschluß (58) der Halbleiterschaltung (44—52) und der Kollektor des
ersten Transistors (48) über einen Widerstand (52) am anderen S'sueranschluß (54), der außerdem über
einen Widerstand (44) mit dem ersten Gleichstrom-Anschluß der Gleichrichterschaltung (36—42) verbunden
ist, liegen.
2. Triac-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterschaltung
ein an der Sekundärwicklung (34) liegender Brückengleichrichter (36—42) ist und die von diesem
gespeiste Halbleiteranordnung (44—52) den durch die Steuerschaltung fließenden Steuerstrom auf
einen Wert verringert, der mit TTL-, RTL-, DTL-, MOS- CMOS- und ähnlichen logischen Schalteinrichtungen
kompatibel ist.
3. Triac-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung
(44—52) an die Steuerschaltung einen Betriebsgleichstrom zu liefern in der Lage ist.
4. Triac-Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
Emitter des zweiten Transistors (50) und Steueranschluß (58) eine Diode (56) geschaltet ist.
5. Triac-Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder
Transistor (48, 50) zwischen Basis und Emitter einen Kondensator zur Rauschunterdrückung aufweist.
6. Triac-Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
dem Steueranschluß des Triac (22) und dem freien Ende der ersten Wicklung (24) des Transformators
(10) zwei gegenpolig parallel geschaltete Dioden (26—32) liegen.
7. Triac-Schallungsanordnung nach Anspruch 6.
dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden aus jeweils mehreren, in gleicher Richtung gepolten Halbleiterdioden
(26,28 bzw. 30,32) bestehen.
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