DE2814904B2 - Triac-Schaltungsanordnung - Google Patents

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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

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 Ansp^ruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden aus jeweils mehreren, in gleicher Richtung gepolten Halbleiterdioden (26,28 bzw. 30,32) bestehen.