DE3915649A1 - Nullspannungsschaltanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung eines Schalt­ signals angenähert zu den Zeitpunkten der Nulldurchgänge einer Wechselspannung.

Die zeitliche Lage der Nulldurchgänge von Wechselstromsignalen kann in bekannter Weise auf rein digitale Art bestimmt werden. Hierzu wird z. B. ein Nulldurchgang mittels Vorzeichenüberwa­ chung des Ergebnisses einer Multiplikation zweier Abtastwerte festgestellt. Mit Hilfe der erfaßten Amplitudenwerte einerseits und der anhand dieser Amplitudenwerte berechneten Nullstellen der Wechselstromsignale andererseits lassen sich dann praktisch alle interessierenden Bestimmungsgrößen für solche Wechselstrom­ signale gewinnen.

Durch die DE-OS 31 12 045 ist eine Anordnung bekannt, mit der exakt zum Zeitpunkt des Nulldurchganges einer Wechselspannung ein Schaltsignal erzeugt wird. Dabei wird während des Verlaufs einer Halbwelle der Wechselspannung eine Gleichspannung als Vorspannung gebildet, die sich zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs mit der Polarität der folgenden Halbwelle der Wechselspannung überlagert. Auf diese Weise wird erreicht, daß kein Winkelfeh­ ler zwischen dem Nulldurchgang der Wechselspannung und dem Schaltsignal auftritt. Zur Realisierung dieser Nullspannungs­ schaltanordnung werden Optokoppler mitverwendet. Für deren Funktion ist eine in bestimmten Anwendungsfällen unerwünscht hohe Stromaufnahme erforderlich. Es ist auch schon bekannt, z. B. für ein Triac, Ansteuerimpulse in nächster Nähe des Nulldurchgangs einer Wechselspannung zu erzeugen. Damit wird dann erreicht, daß ein Triac im Einschaltmoment nur sehr ge­ ringe Stromsteilheiten verarbeiten muß. Mittels des Triacs wird dann jeweils für eine Periode der Wechselspannung oder ein Vielfaches davon aufgrund des auf den Steuereingang gegebenen und von der Wechselspannung abgeleiteten Schaltsignals ein durch den Verbraucher fließender Strom eingeschaltet. Diese Anordnung zum Ansteuern von Triacs ist relativ einfach mit einer Mehrzahl von Transistoren aufgebaut, die aber einen hohen Strombedarf erfordert und auch einen Speicherkondensator für die Bereitstellung der Versorgungsspannung erforderlich macht (Halbleiterschaltbeispiele, Ausgabe 1971/72, Seiten 151 ff.).

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Nullspannungsschaltan­ ordnung zu schaffen, mit der bei geringstmöglichem Bauteileauf­ wand ein Schaltsignal in nächster Nähe des Nulldurchgangs einer Wechselspannung bei insgesamt reduzierter Stromaufnahme erzeug­ bar ist. Die Anordnung soll außerdem als integrierbarer Bau­ stein realisierbar sein.

Die Lösung dieser Aufgabe wird dadurch erreicht, daß zwischen den Anschlußstellen der Wechselspannung ein hochohmiger Span­ nungsteiler geschaltet ist, daß mit dem am Teilerpunkt entste­ henden Wechselspannungsanteil unmittelbar ein Feldeffekttran­ sistor derart beaufschlagt wird, daß mit jedem Erreichen der jeweils eine angenähert im Nullpunkt beginnende bzw. endende Änderung im Schaltzustand bewirkenden. Gate-Schwellspannung als Steuerspannung für ein nachgeschaltetes verstärktes Halb­ leiterelement die ausgangsseitige Spannung des Feldeffekt­ transistors während der einen Halbwelle und während der anderen Halbwelle die im Ausgangskreis an einer in Durchlaßrichtung be­ aufschlagten Diode entstehende Spannung der jeweils anderen Po­ larität dient, daß während des Auftretens der jeweiligen Steu­ erspannung einer bestimmten Polarität an dem im Hauptstromkreis des Halbleiterelementes liegenden Widerstand das "Nullpunkt"- Schaltsignal abnehmbar ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung bedarf einer äußerst geringen Stromaufnahme und ist zudem für einen großen Bereich der Wech­ selspannung einsetzbar. Sie ist bei geringstem Bauteileaufwand platzsparend und äußerst kostengünstig zu realisieren. Die Flanken des entstehenden Schaltsignals liegen sowohl beim Über­ gang von der positiven zur negativen als auch von der negativen zur positiven Halbwelle der Wechselspannung jeweils mit etwa gleichem zeitlichem Abstand in nächster Nähe vor dem Nulldurch­ gang. Das abzuleitende Signal fällt demnach mit Schaltzeitpunk­ ten zusammen, die etwa um die Ansprechzeit bzw. um die Abfall­ zeit eines Relais verzögert vor den tatsächlichen Nulldurch­ gängen liegen. Wird also über einen Kontakt eines solches Relais diese Wechselspannung auf einen Sekundärkreis aufgeschaltet, so erfolgt diese Aufschaltung dann nahezu exakt im Nulldurchgang dieser Wechselspannung. Bei geringstem Bauteileaufwand wird also im Hinblick auf die Anwendung zur Relaissteuerung ohne Winkelfehler die Anschaltung der Wechselspannung erreicht. Die­ se Wechselspannung ist beispielsweise die in einem Kommunika­ tionssystem im jeweiligen Betriebszustand der Rufphase anzule­ gende Rufwechselspannung. Es entstehen somit keine störenden Funken beim Schaltvorgang, was neben der Erhöhung der Lebens­ dauer dieser Kontakte gleichzeitig bedeutet, daß keine Störein­ kopplungen in benachbarte Steuerlogiken erfolgen und damit ein Entstehen von Fehlimpulsen, vermieden wird.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Feldeffekttran­ sistor ein selbstleitender MOS-Feldeffekttransistor (SIPMOS- Kleinsignaltransistor), zwischen dessen Drain- und Gate-An­ schluß der eine Teilwiderstand des aus mindestens zwei Wider­ ständen bestehenden Spannungsteilers geschaltet ist. Zwischen dessen Source- und Gate-Anschluß liegt die Parallelschaltung aus der genannten Diode und der Basis-Emitter-Strecke eines als verstärkendes Halbleiterelement eingesetzten bipolaren Transi­ stors. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den restlichen Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 die Nullspannungsschaltanordnung im Zusammenhang mit der Anschaltung einer Rufwechselspannung in einem Kom­ munikationssystem und

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf einiger an bestimmten Schaltungs­ punkten auftretenden Spannungen.

An der Nullpunktschaltanordnung NS liegt als Eingangswechsel­ spannung beispielsweise eine Rufwechselspannung Ur an. Sollte diese Wechselspannung einer Gleichspannung überlagert sein, so wird durch die Condensatoren C 1 und C 2 eine Entkopplung er­ reicht. Die hochohmigen Widerstände R 1 und R 2 bilden einen Spannungsteiler im Verhältnis 1 : 1, wobei der Widerstand R 1 außerdem den Basisstrom für den Transistor T 2 begrenzt. In der Zeile 1 der Fig. 2 ist eine Periode der Eingangswechselspannung Ur bzw. der am Teilerpunkt TP entstehenden Wechselspannung schematisch angedeutet. Unterschreitet diese Wechselspannung einen bestimmten Wert von beispielsweise 0,7 Volt so wird der von ihr beeinflußte Feldeffekttransistor T 1, der beispielsweise ein Sipmos-Kleinsignaltransistor sein kann, aus dem leitenden Zustand in den Sperrzustand übergeführt. Die sich dadurch zwi­ schen den Sorce-Anschluß S und dem Gateanschluß G ausbildende Spannung Us wird durch die Basisemitterspannung des nachge­ schalteten Transistors T 2 auf einen bestimmten Spannungswert von beispielsweise 0,7 Volt begrenzt. Der Transistor T 2 wird leitend und zwar solange bis im Bereich des Übergangs der po­ sitiven Halbwelle p in die negative Halbwelle n der Wert der genannten Schwellspannung von beispielsweise 0,7 Volt erreicht wird. Im Bereich der negativen Halbwelle n der Eingangswech­ selspannung wird bis zum erneuten Erreichen dieser Schwell­ spannung die Spannung Us auf die Durchlaßspannung der Diode Z begrenzt. Der Spannungsverlauf für die Spannung Us ist der Zeile 2 der Fig. 2 entnehmbar. Während des Zeitraums, in dem diese Spannung Us negativ ist wird der Transistor T 2 gesperrt. Während dieser Zeit bildet sich an seinem Arbeitswiderstand R 3 eine der Versorgungsspannung Uv amplitudenmäßig entsprechende Spannung Ua aus. Der zeitliche Verlauf dieser Spannung ist in der Zeile 3 der Fig. 2 dargestellt. Dieses Ausgangssignal Ua entsteht also eine kurze Zeit t 1 vor jedem Übergang der posi­ tiven Halbwelle p in die negative Halbwelle und endet eine kurze Zeit t 2 vor dem Übergang der negativen Halbwelle n in die positive Halbwelle der Wechselspannung. Diese Zeiten t 1 und t 2 sind in etwa gleich groß und unterscheiden sich in einem weiten Spannungsbereich der Wechselspannung nur gering­ fügig. Diese zeitlichen Abstände des während der Sperrphase des Transistors T 2 entstehenden Signals vom jeweiligen exakten Nulldurchgang der Wechselspannung können einen Wert annehmen, der in etwa der Ansprechzeit bzw. der Abfallzeit bestimmter Relaistypen entspricht. Werden also die Flanken des Schaltsi­ gnals Ua dafür benützt ein Relais zu schalten, so ergibt dies einen Schaltzeitpunkt der um die Ansprechzeit dieses betref­ fenden Relais vor dem jeweiligen Nulldurchgang liegt. Das be­ deutet, daß in den Fällen in denen mit einem solchermaßen ge­ steuerten Relais die betreffende Wechselspannung an einen Schaltkreis oder ein Schaltelement angelegt wird dies dann exakt mit dem Nulldurchgang der betreffenden Wechselspannung erfolgt. Damit werden Bogenentladungen beim Öffnen des Relais­ taktes vermieden und es kann nicht zur Einkopplung von Stör­ impulsen in benachbarte Logikschaltungen kommen.

Im Ausführungsbeispiel soll das Schaltsignal Ua der Nullpunkt­ schaltanordnung NS dazu dienen, die Rufwechselspannung Ur an eine Teilnehmerstelle Tst anzulegen. Besteht im Kommunika­ tionssystem ein Betriebszustand der einer Rufphase entspricht, so wird durch die das System steuernde zentrale Steuereinrich­ tung ZSt eine entsprechende Information an die Steuereinheit St gegeben. Aufgrund dieser Information wird mit einer Flanke des der Steuereinheit St zugeführten Schaltsignals Ua eine dem Steuereingang des Relais R zugeführte Steuerinformation gebil­ det. Nach Ablauf der Ansprechzeit dieses Relais R, also etwa nach der Zeit t 1 wird dann während des verarbeitungssynchronen Nulldurchganges der Rufwechselspannung U diese über den Kontakt kr des Relais R an die Teilnehmeranschlußleitung TL angelegt. Wird die Steuereinheit St durch die zentrale Steu­ ereinheit ZSt darüber informiert, daß von der Rufphase in die Rufpause übergegangen werden soll, so wird mit dem Auftreten des nächstfolgenden Nulldurchganges der Rufwechselspannung mit dem Öffnen des Kontaktes kr die Rufspannung Ur abgeschaltet. Der Abschaltebefehl für das Relais R erfolgt dabei eine kurze Zeit t 1 bzw. t 2 vor dem eigentlichen Nulldurchgang.

Wie die Fig. 1 zeigt ist eine Teilnehmerstelle Tst vermittels der a-Ader über die Widerstände R 4 und R 5 an den einen Pol (-Ub) eine Speisespannungsquelle und vermittels der b-Ader über die Widerstände R 6 und R 7 an den anderen Pol (Erde) die­ ser Speisespannungsquelle angeschlossen. Durch die Steuerein­ heit St können noch weitere Relais, wie beispielsweise das Relais B, gesteuert werden. Über Kontakte eines solchen Relais kann dann in bestimmten Betriebsfällen der Speisestromkreis niederohmiger geschaltet werden. Dies ist durch den Kontakt kb des Relais B angedeutet. Mit A ist eine Indikationsschaltung bezeichnet, die an leitungsadernbezogenen festen Ankopplungs­ punkten der Teilnehmeranschlußleitung TL angeschlossen ist. Mit ihr können beispielsweise unterschiedliche Indikationen durchgeführt werden. Es kann damit beispielsweise die Indi­ kation des Schleifenschlusses in Folge eines Rufes vorgenommen werden.

Claims (7)

1. Anordnung zur Erzeugung eines Schaltsignals angenähert zu den Zeitpunkten der Nulldurchgänge einer Wechselspannung dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Anschlußstellen der Wechselspannung (Ur) ein hochohmiger Spannungsteiler (R 1, R 2) geschaltet ist, daß mit dem am Tei­ lerpunkt (TP) entstehenden Wechselspannungsanteil unmittelbar ein Feldeffekttransistor (T 1) derart beaufschlagt wird, daß mit jedem Erreichen der jeweils eine angenähert im Nullpunkt be­ ginnende bzw. endende Änderung im Schaltzustand bewirkenden Gate-Schwellspannung als Steuerspannung für ein nachgeschalte­ tes verstärktes Halbleiterelement (T 2) die ausgangsseitige Spannung des Feldeffekttransistors während der einen Halbwelle (p) und während der anderen Halbwelle (n) die im Ausgangskreis an einer in Durchlaßrichtung beaufschlagten Diode (Z) ent­ stehende Spannung der jeweils anderen Polarität dient, daß während des Auftretens der jeweiligen Steuerspannung einer bestimmten Polarität an dem im Hauptstromkreis des Halbleiter­ elementes (T 2) liegenden Widerstandes (R 3) das "Nullpunkt"- Schaltsignal abnehmbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feld­ effekttransistor (T 1) ein selbstleitender MOS-Feldeffekttran­ sistor (Sipmos-Kleinsignaltransistor) ist, daß zwischen des­ sen Train-(D) und Gateanschluß (G) der eine Teilwiderstand (R 2) des aus mindestens zwei Widerständen (R 1, R 2) bestehenden Spannungsteiles geschaltet ist, daß zwischen Sorce-(S) und Gateanschluß (G) die Parallelschaltung der genannten Diode (Z) und die Basisemitterstrecke eines als verstärkendes Halblei­ terelement bipolaren Transistors (T 2) liegt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wech­ selspannung Ur der Gleichspannung eines von der Anordnung galvanisch getrennten Schaltkreises überlagert ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den An­ schlußpunkten der Wechselspannung jeweils ein Kondensator (C 1, C 2) zur galvanischen Trennung vorgesehen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gate- Anschluß G des MOS-Feldeffekttransistors (T 1) auf festem Be­ zugspotential (Masse) liegt.

6. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (Z) eine Zenerdiode darstellt.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wech­ selspannung (Ur) die in einem Kommunikationssystem anzulegende Ruf-Wechselspannung darstellt.