DE3531021C2 - Elektrischer Schalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wechselstromschalter nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Zum Schalten von Wechselstrom mittels eines Festkörperschalters werden üblicher­ weise Triacs verwendet. Diese weisen den Nachteil auf, daß sie auf Durchlaß schalten, wenn sie an sich gesperrt sein sollten, wenn eine Spannungsspitze am Leistungsein­ gang auftritt. Dieser Effekt wird als Kommutation bezeichnet. Da ein Triac, wenn er einmal getriggert ist, im leitenden Zustand verbleibt, bis der Strom unterbrochen wird, kann dies über längere Zeit hinweg zu einem unerwünschten Stromdurchgang führen, mit der Folge, daß elektrische Bauteile, die mit seinem Ausgang verbunden sind, zerstört werden können.

Um den Kommutationseffekt zu vermindern, ist es bekannt, Filter zu verwenden, um Spannungsspitzen am Eingang des Triacs zu verhindern. Hierdurch wird je­ doch die Größe des durch den Triac fließenden Stroms begrenzt. Außerdem sind große Kondensatoren und Drosseln erforderlich, wodurch Größe und Gewicht des Festkörperschalters anwachsen.

Die US 36 68 434 beschreibt im weiteren Sinne einen Wechselstromschalter mit einem Leistungstransistor zum Betrieb einer Phasenanschnittsteuerung. Bei der Phasenan­ schnittsteuerung wird dem angeschlossenen Verbraucher bekanntlich nur während eines bestimmten Bruchteils der Wechselstromphase Leistung zugeführt, wodurch die im Mittel zugeführte Leistung einstellbar ist. Zum Ein- und Ausschalten der Energiezufuhr an den Verbraucher für Zeitdauern, welche größer als eine Signalpe­ riode sind, ist es entweder notwendig, den handbetätigten Schalter 1′′ manuell zu betätigen oder die Phasenanschnittsteuerung auf Null herunterzufahren.

Die JP 55-136 720 A (Patents abstracts of Japan, section E, volume 5, 1981, Nr. 7 E- 41) beschreibt einen Festkörper-Wechselstromschalter mit einem zentral zwischen vier Dioden angeordneten Transistor. Dieser Transistor wird durch Spannungspulse ein- und ausgeschaltet. Die Schaltung weist keine Schaltsteuereinheit auf, durch welche der Schaltzustand des Transistors in Abhängigkeit vom Eingangssignal ge­ steuert werden könnte.

Die GB 12 22 291 beschreibt ebenfalls eine Phasenanschnittsteuerung unter Verwen­ dung eines Transistorschalters. Dieser schaltet mit der Frequenz der Eingangspulse auf seinen Steuerleitungen. Diese Frequenz hat jedoch nichts mit der Wechselstrom­ frequenz des zu schaltenden Signals zu tun.

Es besteht daher die Aufgabe, einen Wechselstromschalter so weiterzubilden, daß un­ ter Verwendung von billigen Bauteilen ein schnelles Schalten gewährleistet ist.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Zwei Ausführungsbeispiele eines elektronischen Wechsel­ stromschalters werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert, Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild eines ersten Ausführungs­ beispiels und

Fig. 2 das Schaltbild eines zweiten Ausführungs­ beispiels.

Die Schaltung nach Fig. 1 umfaßt eine Schaltereinheit 1, welche zwischen einem Signaleingang 2 und einem Signalaus­ gang 3 in Serie geschaltet ist. Die Arbeitsweise der Ein­ heit 1 wird gesteuert durch eine Schaltsteuereinheit 4, der Steuersignale über die Leitung 5 zugeführt werden.

Die Schaltereinheit 1 weist ein erstes Diodenpaar , be­ stehend aus den Dioden 11 und 12 auf, die gegenpolig zueinander in Serie zwischen dem Eingang 2 und dem Aus­ gang 3 geschaltet sind. Anstelle der Dioden 11 und 12 können auch entsprechende Gleichrichter verwendet werden. Im gezeigten Beispiel sind die Kathoden der beiden Dioden 11, 12 miteinander verbunden und liegen an einem gemeinsamen Anschluß 13. Die Schaltereinheit 1 umfaßt ein zweites Diodenpaar, bestehend aus den Dio­ den 21 und 22, die ebenfalls gegenpolig zueinander, in Serie zwischen dem Eingang 2 und dem Ausgang 3 und parallel zu dem ersten Diodenpaar 11, 12 geschaltet sind. Das zweite Diodenpaar 21, 22 ist gegenpolig zu dem ersten Diodenpaar geschaltet, d. h. ihre beiden Anoden sind miteinander verbunden und liegen gemeinsam am Anschluß 23. Die Schaltereinheit 1 wird vervollständigt durch einen N-Kanal-MOSFET Transistor, der mit seinen Source- und Drain-Elektroden zwischen den Anschlüssen 13 und 23 geschaltet ist.

Der Transistor 30 kann ein- und ausgeschaltet werden, so daß entweder ein Stromfluß zwischen den Anschlüssen 13 und 23 über den Transistor vorhanden ist oder ein solcher Stromfluß unterbrochen ist. Ist der Transistor 30 leitend, dann wird die Schaltereinheit 1 ebenfalls leitend, so daß ein Signalstrom zwischen dem Eingang 2 und dem Ausgang 3 zu fließen vermag. Liegt ein Wechsel­ stromeingangssignal am Eingang 2 und am Ausgang 3 an, dann erfolgt der Stromfluß während der positiven Halb­ welle vom Eingang über die Diode 11, den Transistor 30, die Diode 22 zum Ausgang 3. Bei der negativen Halbwelle der Wechselspannung findet ein Stromfluß vom Ausgang 3 über die Diode 12, den Transistor 30, die Diode 21 zum Eingang 2 statt. Der Stromfluß durch den Transistor 30 erfolgt also stets in der gleichen Richtung.

Ist der Transistor 30 abgeschaltet, d. h. wenn er sperrt, dann vermag durch die Schalteranordnung 1 kein Strom zu fließen, so daß der Eingang 2 vom Ausgang 3 abge­ trennt ist. Ein am Eingang 2 anliegendes Wechselstrom­ signal wird durch die Dioden 21 und 12 während der posi­ tiven Halbwelle und durch die Dioden 22 und 11 während der negativen Halbwelle blockiert.

Die Ansteuerung des Transistors 30 und damit die An­ steuerung der Schaltereinheit 1 wird mittels einer Steuereinheit bewirkt, die nachfolgend beschrieben wird.

Der Ausgang der Steuereinheit 4 ist verbunden mit der Gate- und der Source-Elektrode des Transistors 30. Der Transistor 30 wird leitend,wenn an der Gate-Elektrode positives Potential anliegt. Die Steuereinheit 4 umfaßt einen Kondensator 41 , der zwischen den Ausgangsleitungen der Steuereinheit 4 parallel mit einer Zenerdiode 42 und einem Widerstand 43 geschaltet ist. Die Kathode der Zenerdiode ist verbunden mit der Gate-Elektrode des Transistors 30. Zwischen der Parallelschaltung des Kondensators 41, der Diode 42 und dem Widerstand 43 und einer positiven Spannungsleitung 45 ist ein Transistor 44 geschaltet, dessen Emitter-Kollektorstrecke in Serie mit einem Widerstand 46 und einer Diode 47 geschaltet ist. Die Basis des Transistors 44 ist verbunden mit der Eingangsleitung 5 der Steuereinheit 4.

Ist das Potential in der Leitung 5 negative dann wird der Transistor 44 in den leitenden Zustand überführt. Ist das Signal am Eingang 2 negativ, dann fließt durch den Transistor 44 Strom, wodurch der Kondensator 41 aufgeladen wird. Der Transistor 30 in der Schalter­ einheit 1 wird dadurch leitend. Es fließt Strom durch die Schaltereinheit. Wenn das Signal am Eingang 2 posi­ tiv wird, dann findet kein Stromfluß durch den Tran­ sistor 44 mehr statt, jedoch ist die Zeitkonstante des Kondensators 41 und des Widerstandes 43 so gewählt, daß der Transistor 30 während dieser positiven Halb­ welle im leitenden Zustand verbleibt. Es findet also nach wie vor ein Stromfluß durch die Schaltereinheit 1 statt.

Soll die Schaltereinheit 1 sperren, dann wird das Eingangs­ signal in der Leitung 5 der Steuereinheit 4 positiv gemacht, wodurch der Transistor 44 der Steuereinheit ständig sperrt. Im Kondensator 41 noch vorhandene Ladung wird ausgeglichen über den Widerstand 43, so daß das Gate-Potential des Transistors 30 unter den Einschalt­ schwellwert abfällt, somit der Transistor 30 und mit ihm auch die Schaltereinheit 1 sperrt.

Der Transistor 30 ist gegenüber am Eingangsanschluß 2 auf­ tretenden Spannungsspitzen unempfindlich, so daß diese kein Schalten der Schalteranordnung bewirken können. Es ist möglich, daß beispielsweise elektrische Inter­ ferenzen einen anormalen Ausgang von der Steuereinheit 4 bewirken, durch die ein Ansteigen des Gate-Potentials des Transistors 30 erfolgen kann, das ausreichend ist, um den Transistor 30 und damit die Schaltereinheit 1 in den leitenden Zustand zu überführen. Der Transistor 30 jedoch bleibt nur so lange leitend, wie dieses Potential das Einschaltpotential übersteigt, so daß der Transistor 30 augenblicklich sperrt, wenn der Einschaltschwellwert unterschritten wird.

Die Notwendigkeit einer positiven Gleichstromleitung 45 kann vermieden werden, wenn, gem. Fig. 2 , der Emitter des Transistors 44 direkt mit dem Eingang 2 verbunden wird.

Es ist nicht erforderlich, die Dioden 11, 12, 21 oder 22 durch eine hohe Spannung vorzuspannen, damit sie leitend werden, bei der Schaltung sind daher Hochspannungsbau­ teile entbehrlich. Da die Eingangssignale zwischen dem Eingang 2 und dem Ausgang 3 über einfach leitende Dioden erfolgt, besteht keine Begrenzung bezüglich der Größe der Eingangsspannung.

Claims (4)

1. Wechselstromschalter mit einem Eingang und einem Ausgang für ein Wechsel­ stromsignal, einem ersten Gleichrichterpaar, dessen Gleichrichter gegenpolig zueinander in Serie zwischen dem Eingang und dem Ausgang geschaltet sind und einem zweiten Gleichrichterpaar, dessen Gleichrichter gegenpolig zueinan­ der und gegenpolig und parallel zu dem ersten Gleichrichterpaar zwischen dem Eingang und dem Ausgang geschaltet sind, wobei zwischen der Verbindungs­ stelle des ersten Gleichrichterpaars und der Verbindungsstelle des zweiten Gleichrichterpaars ein Transistorschalter geschaltet ist, welcher einen Strom­ fluß zwischen den Verbindungsstellen ermöglicht und eine Schaltsteuereinheit zur Ansteuerung des Transistorschalters vorhanden ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaltsteuereinheit (4) einen Kondensator (41) umfaßt, wel­ cher zwischen der Gate- und der Sourc-Elektrode des Transistorschalters (30) geschaltet ist, sowie eine Gleichspannungsquelle und eine zweite Schaltvorrich­ tung (44) zwischen der Gleichspannungsquelle und einer Elektrode des Kon­ densators (41), wobei das Wechselstromeingangssignal wahlweise an die zweite Schaltvorrichtung (44) anlegbar ist und bei an der zweiten Schaltvorrichtung anliegendem Wechselstromeingangssignal ein intermittierender Stromfluß von der Gleichspannungsquelle zum Aufladen des Kondensators (41) stattfindet, wobei die Ladung auf dem den Transistorschalter (30) steuernden Kondensa­ tor (41) und die Zeitkonstante der Kondensatorschaltung (41, 43) so gewählt sind, daß der Transistorschalter (30) für längere Zeiten als die Periode des Wechselstromeingangssignals, trotz des durch die Umpolung dieses Signals be­ wirkten Schaltens der zweiten Schaltvorrichtung (44), leitend bleibt, wodurch zwischen dem Eingang (2) und dem Ausgang (3) ein Signalstrom über je ei­ nen Gleichrichter in jedem der beiden Gleichrichterpaare (11 und 22, 21 und 12), die Verbindungsstellen (13 und 23) und den Transistorschalter (30) fließt und bei nicht an der zweiten Schaltvorrichtung anliegendem Wechselstrom­ eingangssignal die zweite Schaltvorrichtung das Aufladen des Kondensators (41) verhindert, wodurch der Transistorschalter (30) nichtleitend wird und daher den Signalstrom zwischen dem Eingang (2) und dem Ausgang (3) im wesentlichen blockiert.

2. Wechselstromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistorschalter (30) ein MOSFET-Transistor ist.

3. Wechselstromschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichter Dioden (11,12, 21, 22) sind.

4. Wechselstromschalter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schaltvorrichtung ein Transistor (44) ist.