DE3236733A1

DE3236733A1 - Schaltungsanordnung zum verlustarmen schalten grosser leistungen

Info

Publication number: DE3236733A1
Application number: DE19823236733
Authority: DE
Inventors: Karl-Diether Dipl.-Ing. 7101 Oedheim Nutz
Original assignee: Telefunken Electronic 7100 Heilbronn GmbH; Telefunken Electronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1982-10-04
Filing date: 1982-10-04
Publication date: 1984-04-05
Also published as: DE3236733C2

Description

Schaltungsanordnung zum verlustarmen
Schalten großer Leistungen.
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum verlustarmen Schalten großer Leistungen unter Verwendung eines Halbleiterschalters, insbesondere eines Triacs,der von einem integrierten Nullspannungsschalter während der Stromflußphase durch die Last mit in den Nulldurchgangsphasen des Wechselstroms abgegebenen Steuerimpulsen angesteuert wird.
Es ist bekannt, daß 7,aststromzweige über Halbleiterschalter, insbesondere über Thyristoren oder Triacs mit Hilfe von Nullspannungsschaltern angesteuert werden können.
Diese Nullspannungsschalter geben an den Triac in den Nulldurchgangsphasen des Wechselstroms ein Steuersignal ab, das diesen Triac durchschaltet bzw. im durchgeschalteten Zustand während der Stromflußphase durch die Last hält. Die Stromflußphase wird beispielsweise durch Vergleich eines Istwertes mit einem Sollwert mit Hilfe eines Komparators bestimmt. Dieser Komparator ist meist im integrierten Nullspannungsschalter untergebracht. Ist- und Sollwert können beispielsweise Temperaturen von Heizgeräten aller Art sein. Nullspannungsschalter dieser Art werden beispielsweise von AEG-TELEFUNKEN hergestellt, und sind unter der Bezeichnung U 106 BS oder U 263 B im Handel erhältlich.
Das Schalten großer Ströme bzw. Leistungen über einen Triac hat den Nachteil, daß während der Stromflußphase am Triac eine relativ große Verlustleistung verbraucht wird. Diese Verlustleistung ergibt sich aus der Multiplikation der am Triac anstehenden Restspannung mit dem Nennlaststrom. Die Restspannung hat beispielsweise einen Wert in der Größenordnung von 1,5 V, so daß bei entsprechend großen Strömen leicht 30 bis 50 Watt Verlustleistung auftreten.
Zur Vermeidung dieser hohen Verlustleistung besteht die Möglichkeit, den Laststrom mit mechanischen Schaltern mit Hilfe von Relais oder Schützen zu schalten.
Dies hat jedoch den Nachteil, daß bei den mechanischen Schaltvorgängen Hochfrequenzstörungen auftreten und die Schalter im Laufe der Zeit durch mechanische Abnutzung zerstört werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum verlustarmen Schalten großer Leistungen anzugeben, bei der die Vorteile des Schaltens über Triacs beibehalten werden aber zugleich eine extrem geringe Verlustleistung auftritt. Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Nullspannungsschalter vorgesehen ist, der während der Stromflußphasen durch die Last ein statisches Signal abgibt, daß mit diesem statischen Ausgangssignal des Nullspannungsschalters ein zweiter Halbleiterschalter zeitverzögert angesteuert wird, durch den ein mechanischer Schalter zur Überbrückung des ersten Halbleiterschalters während der Restdauer der Stromflußphase geschlossen wird. Mit dem zweiten Halbleiterschalter wird dann ein Strompfad leitend geschaltet, in dem ein Relais bzw. ein Schütz anbeordnet ist.
An den Ausgang des Nullspannungsschalters für das statische Signal ist vorzugsweise ein RC-Verzögerungsglied angeschlossen, wobei über die am Kondensator abfallende Spannung der Ansteuerstrompfad für den zweiten Halbleiterschalter leitend geschalet bzw. gesperrt wird. Bei beiden Halbleiterschaltern handelt es sich vorzugsweise um Triacs.
Die-Erfindung und ihre vorteilhafte Ausgestaltung soll nachstehend noch anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert werden.
Die Schaltung gemäß der Figur enthält einen integrierten Nullspannungsschalter N, bei dem es sich vorzugsweise um einen Schaltkreis der Type U 263 B/2 handelt. Dieser Nullspannungsschalter giot während der Stromflußphasen, die aus einem Vergleich eines Istwertes mit einem Sollwert gewonnen werden, in den Nulldurchgangsphasen des Wechselstromes am Ausgang A Steuerimpulse ab, mit denen ein Triac Tr geschaltet und sodann während der Stromflußphase im geschalteten Zustand gehalten wird. Somit fließt der Laststrom I1 über den Lastwiderstand RL und den Triac Trl ab. Der Nullspannungsschalter hat einen zweiten Ausgang B, an dem während der Stromflußphase ein statisches Signal auftritt. So nimmt beispielsweise das Potentional am Punkt B mit Beginn der Stromflußphase den Low-Pegel an und erreicht mit dem Ende der Stromflußphase wieder den High-Pegel. An den Ausgang B für das statische Signal des Nullspannungsschalters ist die Reihenschaltung aus einem Widerstand RT und einem Kondensator CT angeschlossen. Die Verbindung zwischen Widerstand RT und Kondensator CT ist an die Basiselektrode eines Transistorschalters T1 angeschlossen. Bei dem Transistorschalter handelt es sich im Ausführungsbeispiel um einen pnp-Transistor mit einem Widerstand R3 zwischen Emitteranschluß und Basisanschluß zur Gleichspannungspotentialeinstellung dieses Transistors.
Wenn mit dem Auftreten des statischen Ausgangssignals zu Beginn der Stromflußphase dieses Ausgangssignal den Low-Pegel annimmt, entlädt sich der Kondensator CT auf ein Potential, bei dem der Transistorschalter T1 geöffnet wird.
Der Transistor T1 wird somit zu einem Zeitpunkt geöffnet, der gegenüber dem Auftreten des statischen Ausgangssignals entsprechend der Dimensionierung des RC-Gliedes verzögert ist.
In die Emitterstrecke des Transistors T1, die den Ansteuerstrompfad für den Triac Tr2 bildet, ist eine Zenerdiode Z1 und ein Vorwiderstand R2 geschaltet. Sobald der Transitor T1 durchgesteuert wird, erhält der Triac Tr2 an seiner Steuerelektrode ein Ansteuersignal, das diesen Triac zündet, so daß der Strom 12 durch den Triac und die mit ihm in Reihe geschaltete Relaiswicklung bzw. Schützwicklung Sch fließt. Infolge des Stromflusses durch das Relais bzw. den Schütz wird der Schalter S1 geschlossen, so daß der Triac Tr überbrückt wird. Nunmehr kann der Laststrom 11 über den Widerstand RL und den geschlossenen 1 L Schalter S abfließen. Der Triac Tr1 wird dann stromlos, so daß an ihm keine Verlustleistung mehr entsteht. Da mit dem Schalter S nur eine Spannung von 1,5 Volt geschaltet werden muß, ist die Schaltbelastung sehr gering, so daß Hochfrequenzstörungen nicht auftreten und ein Verschleiß des Schalters weitgehend ausgeschlossen ist.
Der Emitter des Schalttransistors T1 ist zugleich über den Vorwiderstand R1 mit der Ansteuerelektrode des Triacs Tr verbunden. Dies hat den Vorteil, daß der Laststrom I1 nach dem Ende der Stromflußphase nicht durch den Schalter S unterbrochen wird, sondern durch Abschalten des Triacs Tr gesperrt wird. Sobald beim Ende der Stromflußphase das statische Ausgangssignal am Ausgangsanschluß B des Nullspannungsschalters N vom Low-Pegel wieder den High-Pegel annimmt, kann sich der Kondensator CT wieder aufladen, so daß nach einer bestimmten Verzögerungszeit der Transistor T1 -wieder gesperrt wird. Während dieser Verzögerungszeit erhält der Triac Tr und der Triac Tr2 über den Transistorschalter T1 genügend Strom, um beide Triacs im geöffneten Zustand zu halten. Zuerst wird der Triac Tr stromlos 2 geschaltet, da beim Unterschreiten der Zenerspannung Z1 diese Zenerdiode sperrt und somit einen weiteren Stromfluß zum Triac Tr2 unmöglich macht. Die Zenerdiode Z1 hat beispielsweise eine Zenerspannung von 4 Volt. Damit fällt das Relais ab und der Schalter S wird wieder geöffnet, so daß der Laststrom zunächst noch über den weiterhin offengehaltenen Triac Tr fließen kann. Mit der weiteren Sperrung des Transistors T1 reduziert sich auch der über den Vorwiderstand R1 zum Transistor Trl fließende Strom bis zu einem Wert der zur Aufrechterhaltung der Durchsteuerung des Triacs Tr nicht mehr ausreicht. In der nächstfolgenden Nulldurchgangsphase des Wechselstroms schaltet sich somit der Triac Tr ab, wodurch- sichergestellt wird, daß bei diesem Abschaltvorgang Netzrückwirkungen vermieden werden.
Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung werden somit die Vorzüge des Schaltens großer Ströme über Halbleiterschalter und des Schaltens über mechanische Schalter in vorteilhafter Weise kombiniert. Netzrückwirkungen werden vermieden, da der Laststrom jeweils in Nulldurchgangsphasen des Wechselstroms ein- bzw. abgeschaltet wird. Eine hohe Verlustleistung wird vermieden, da im zeitlich größten Teil der Stromflußphase der Laststrom über einen geschlossenen mechanischen Schalter abfließt.
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Claims

Patentansprüche 1) Schaltungsanordnung zum verlustarmen Schalten großer Leistungen unter Verwendung eines Halbleiterschalters, insbesondere eines Triac's (tor ), der von einem integrierten Nullspannungsschalter (N) während der Stromflußphasen durch die Last (R ) mit in den Nulldurchgangs-L phasen des Wechselstroms abgegebenen Steuerimpulsen angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nullspannungsschalter vorgesehen ist, der während der Stromflußphasen durch die Last (RL) ein statisches Signal abgibt, daß mit diesem statischen Ausgangssignal des Nullspannungsschalters (N) ein zweiter Halbleiterschalter (Tr2) zeitverzögert angesteuert wird, durch den ein mechanischer Schalter (S) zur Überbrückung des ersten Halbleiterschalters (Trl) während der Restdauer der Stromflußphase geschlossen wird.
2) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem zweiten Halbleiterschalter (Tr2) ein Strompfad leitend geschaltet wird, in dem eine den mechanischen Schalter (S) betätigende Relaiswicklung (Sch) angeordnet ist.
3) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang (B) des Nullspannungsschalters (N) für das statische Signal ein RC-Verzögerungsglied (RT, CT) angeschlossen ist, wobei über die am Kondensator (CT) abfallende Spannung der Ansteuerstrompfad (T1, Zl R2) für den zweiten Halbleiterschalter (Tr2) leitend geschaltet bzw. gesperrt wird.
4) Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Ansteuerstrompfad für den zweiten Halbleiterschalter (Tr2) ein von der Spannung am-Kondensator (CT) angesteuerter Transistorschalter (T1) angeordnet ist.
5) Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistorschalter (T1) einerseits.

über eine Zenerdiode (Z1) und einen Vorwiderstand (R2) mit der Steuerelektrode des zweiten Halbleiterschalters (Tr2) und andererseits über einen weiteren Vorwiderstand (R1) mit der Steuerelektrode des ersten Halbleiterschalters (Tr ) verbunden ist.

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6) Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der erste als auch der zweite Halbleiterschalter ein Triac ist.
7) Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromflußphasen durch die Last (RL) mit Hilfe eines Vergleichs eines Istwertes mit einem Sollwert über einen im Nullspannungsschalter enthaltenen Komparator bestimmt werden.