DE4309048A1 - Schaltungsanordnung eines Zweidrahtschalters - Google Patents

Schaltungsanordnung eines Zweidrahtschalters

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Description

Zweitdrahtschalter werden in der Elektroinstallation oftmals zum Schalten einer Last eingesetzt. Problema­ tisch hierbei ist die Spannungsversorgung des Schal­ ters: bei geschlossenem Schalter ist im Idealfall die Spannung über dem Schalter gleich Null, d. h. zur Ver­ sorgung des Schalters selbst steht keine Spannung zur Verfügung.
Schaltungsanordnungen zur Realisierung derartiger Zwei­ drahtschalter mittels Triacs, Diacs und RC-Gliedern ha­ ben den Nachteil, daß keine preiswerte Möglichkeit zum beliebigen Ausschalten des Schalters besteht und damit auch keine elektronische Absicherung (Abschalten bei Überlast) möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schal­ tungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 anzugeben, durch die die Spannungsversorgung eines Zweidrahtschalters bei einer Netzwechselspannung als treibender Spannung flexibel und automatisch vor­ gebbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Schaltungsanordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch Schaltungsmittel der Schaltungsanordnung wird in jeder Halbwelle der Netzwechselspannung ein Phasenwin­ kel vorgegeben, der den erlaubten Laststromflußwinkel­ bereich bzw. maximal möglichen Laststromflußwinkel als Phasenwinkeldifferenz zwischen der vollen Halbwelle der Netzwechselspannung und dem vorgegebenen Phasenwinkel festlegt. Der Phasenwinkel und demzufolge auch der er­ laubte Laststromflußwinkelbereich wird in jeder Halb­ welle der Netzwechselspannung abhängig vom Spannungsbe­ darf der Schaltungsanordnung (elektronischer Lastschal­ ter und Ansteuerschaltung) vorgegeben. Vorteilhafter­ weise wird der Phasenwinkel entsprechend dem minimalen Spannungsbedarf der Schaltungsanordnung vorgegeben, d. h. dem Lastschalter bzw. der Ansteuerschaltung wird gerade die minimal erforderliche Versorgungsspannung zur Verfügung gestellt; der erlaubte Laststromflußwin­ kelbereich kann in diesem Falle seinen größtmöglichen Wert annehmen. Der (reale) Laststromflußwinkel ist in­ nerhalb des erlaubten Laststromflußwinkelbereichs frei wählbar.
Der Phasenwinkel hängt vom Spannungsverlauf zweier aus der Netzwechselspannung abgeleiteten Spannungen ab (Versorgungsspannung, Synchronisierspannung) und wird von einem die Versorgungsspannung kontrollierenden er­ sten Schwellwert und einem die Sättigungsspannung des Lastschalters kontrollierenden dritten Schwellwert festgelegt: erreicht die Versorgungsspannung den ersten Schwellwert, ist die Spannungsversorgung der Ansteuer­ schaltung gewährleistet, so daß die Freigabe für den Laststromfluß erfolgen kann; unterschreitet die Span­ nung am Lastschalter den dritten Schwellwert, wird die Freigabe zurückgesetzt und der Laststromfluß gesperrt. Weiterhin kann beim Erreichen eines die Versorgungs­ spannung kontrollierenden zweiten Schwellwerts der Steuerwinkel und damit der erlaubte Laststromflußwin­ kelbereich zur Sicherstellung der Spannungsversorgung variiert werden. Vorzugsweise wird zur Überwachung des ersten und zweiten Schwellwerts ein Fensterdiskrimina­ tor und zur Überwachung des dritten Schwellwerts ein Komparator eingesetzt, wobei ein Eingang des Fenster­ diskriminators mit der Versorgungsspannung und ein Ein­ gang des Komparators mit der Synchronisierspannung be­ aufschlagt wird. Durch das Ausgangssignal des Fenster­ diskriminators werden der erste Schwellwert als minima­ ler Spannungswert für die Freigabe des Laststromflusses und der zweite Schwellwert als Untergrenze für die zu­ lässige Versorgungsspannung festgelegt; das Ausgangssi­ gnal des Komparators legt die Untergrenze für die An­ steuerung des Lastschalters fest und dient gleichzeitig zur Synchronisation der Schaltungsanordnung mit dem Nulldurchgang der Netzwechselspannung. Außerhalb des vom Fensterdiskriminator und vom Komparator vorgegebe­ nen Phasenwinkels und damit innerhalb des erlaubten Phasenwinkelbereichs kann der Laststromflußwinkel je nach Erfordernis - beispielsweise durch eine Phasenan­ schnittsteuerung oder eine Phasenabschnittsteuerung - variabel gewählt werden.
Der elektronische Lastschalter kann beispielsweise als Transistor ausgebildet sein und beispielsweise durch einen IGBT-Transistor, MOS-Transistor oder Bipolar- Transistor realisiert werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Fig. 1 bis 3 näher beschrieben. Die Fig. 1 zeigt dabei ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung, die Fig. 2 den zeitlichen Spannungs-Stromverlauf (Fig. 2a) und die Spannungs-Zeit-Diagramme (Fig. 2b) im Falle der Phasenanschnittsteuerung, die Fig. 3 den zeitlichen Spannungs-Stromverlauf (Fig. 3a) und die Spannungs- Zeit-Diagramme (Fig. 3b) im Falle der Phasenabschnitt­ steuerung.
Gemäß der Fig. 1 wird die Last bzw. der Verbraucher 3 über die beiden (Zweidraht-) Leitungen 1, 2 mit der Netzwechselspannung UN versorgt; zur definierten Span­ nungsversorgung ist die Schaltungsanordnung 4 mit dem Gleichrichter 5, dem elektronischen Lastschalter 6 (dieser ist in Fig. 1 beispielsweise als IGBT-Transi­ stor ausgebildet) und der Ansteuerschaltung 7 (inte­ grierter Schaltkreis IC) vorgesehen. Der integrierte Schaltkreis 7 besitzt sechs Anschlußpins P1-P6 (P1: Versorgungseingang EV zur Spannungsversorgung mit der Versorgungsspannung UV, P2: Synchronisationseingang ESyn für die Synchronisierspannung USyn P3: Steueraus­ gang Ast, P4: Sicherungsausgang AS, P5: Bezugspotential GND, P6: Steuereingang ESt) und enthält die Schaltungs­ komponenten Versorgung 8 (zur Spannungsversorgung des ICs), Power-on 9 (setzt die Anfangsbedingungen), An­ steuerlogik 10 (zur Auswertung bzw. Steuerung des zeit­ lichen Ablaufs), Sicherung 11 (als Überlastschutz) und Endstufe 14. Weiterhin sind als Schaltungskomponenten eine Synchronisiereinheit 12 (Komparator) und eine Aus­ werteeinheit 13 (Fensterdiskriminator) vorgesehen; der Eingang des Komparators 12 ist an den Anschlußpin P2 (Synchronisiereingang ESyn), der Eingang des Fenster­ diskriminators 13 an den Anschlußpin P1 (Versorgungs­ eingang EV) angeschlossen; deren Ausgänge sind mit der Ansteuerlogik 10 verbunden. Durch den Fensterdiskrimi­ nator 13 werden zwei Spannungs-Schwellwerte U1, U2 und durch den Komparator 12 ein dritter Spannungs-Schwell­ wert U3 festgelegt; abhängig vom Spannungsverlauf der Versorgungsspannung UV und der Synchronisierspannung USyn bezüglich der Schwellwerte U1, U2, U3 werden die Ausgangssignale des Fensterdiskriminators 13 und Kompa­ rators 12 gebildet und der Ansteuerlogik 10 (über diese erfolgt die Freigabe des Lastschalters 6) zugeführt.
Da der IGBT-Transistor 6 ein gepolter Schalter ist, muß die Netzwechselspannung UN mittels des Gleichrichters 5 gleichgerichtet werden.
Anhand der Fig. 2 (Phasenanschnittsteuerung) und der Fig. 3 (Phasenabschnittsteuerung) werden die zeitli­ chen Spannungsverhältnisse erläutert. In der Fig. 2a ist der zeitliche Spannungs-Stromverlauf, in der Fig. 2b das Spannungs-Zeit-Diagramm für eine Phasenan­ schnittsteuerschaltung dargestellt; die Fig. 3a zeigt den zeitlichen Spannungs-Stromverlauf und die Fig. 3b das Spannungs-Zeit-Diagramm für eine Phasenabschnitt­ steuerschaltung.
Im Falle der Phasenanschnittsteuerung ergibt sich fol­ gendes Zeitverhalten:
  • - zu Beginn jeder Halbwelle der Netzwechselspannung UN wird der Glättungskondensator Cgl über den Vor­ widerstand RV aufgeladen; diese Spannung steht als Versorgungsspannung UV am Anschlußpin P1 des ICs 7 an. Wann die Versorgungsspannung UV den ersten Schwellwert U1 erreicht (Phasenwinkel β, Zeitpunkt t gemäß Fig. 2a, 2b), wird die Ansteuerlogik 10 vom Ausgangssignal des Fensterdiskriminators 13 freigegeben; der IGBT-Transistor 6 kann nun über den Steuerausgang ASt des ICs 7 (Anschlußpin P3) durchgeschaltet und der Laststromfluß I3 durch den Verbraucher 3 freigegeben werden (maximaler Last­ stromflußwinkel Φmax bzw. erlaubter Laststromfluß­ winkelbereich)
  • - der tatsächliche Laststromflußwinkel Φ wird ent­ sprechend dem vom Verbraucher benötigten Span­ nungsbedarf gewählt (Zeitpunkt t2 gemäß Fig. 2a, 2b)
  • - unterschreitet die Spannung USyn am Synchronisier­ eingang ESyn (Anschlußpin P2) - diese Spannung wird durch die Synchronisierwiderstände RSyn1, RSyn2 aus der Netzwechselspannung UN gewonnen - den dritten Schwellwert U3 (Zeitpunkt t3 gemäß Fi g. 2a, 2b), wird dies als Erreichen des Null­ durchgangs der Netzwechselspannung UN interpre­ tiert und der Laststromfluß I3 durch Rücksetzen des Freigabesignals für die Steuerlogik 10 (Sper­ ren des IGBT-Transistors 6) beendet.
Im Falle der Phasenabschnittsteuerung ergibt sich fol­ gendes Zeitverhalten:
  • - beim Anlegen der Netzwechselspannung UN über die Last 3 an den noch nicht eingeschalteten Zwei­ drahtschalter wird die Versorgungsspannung UV des ICs 7 aufgebaut, wobei UV deutlich über den ersten Schwellwert U1 ansteigt
  • - wird der Lastschalter 6 eingeschaltet, kann zu­ nächst die volle Halbwelle für den Stromflußwinkel Φ = 180° gewählt werden (bis UV den zweiten Schwellwert U2 erreicht)
  • - unterschreitet die Versorgungsspannung UV den zweiten Schwellwert U2 (UV < U2), wird der Strom­ flußwinkel Φ solange schrittweise verkleinert, bis die Versorgungsspannung UV den ersten Schwellwert U1 erreicht (UV = U1)
  • - dieser Wert von Φ beim Erreichen des ersten Schwellwerts U1 wird als erlaubter Stromflußwin­ kelbereich Φmax definiert und "eingefroren".

Claims (10)

1. Schaltungsanordnung (4) eines Zweidrahtschalters zum Schalten einer an der Netzwechselspannung (UN) betrie­ benen Last (3) mit:
  • a) einem elektronischen Lastschalter (6),
  • b) einer als integrierte Schaltung ausgebildeten An­ steuerschaltung (7), deren Steuerausgang (Ast) mit dem Steueranschluß des elektronischen Lastschal­ ters (6) verbunden ist,
  • c) Schaltungsmitteln (RV, Cgl, I3), die in jeder Halbwelle der Netzwechselspannung (UN) einen be­ stimmten Phasenwinkel (β) vorgeben, während dem die Schaltungsanordnung (4) mit Spannung versorgt wird und der Laststromfluß unterbrochen ist, wo­ durch der erlaubte Laststromflußwinkelbereich (Φmax) als Phasenwinkeldifferenz aus der vollen Halbwelle (180°) der Netzwechselspannung (UN) und dem vorgegebenen Phasenwinkel (β) festgelegt ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Auswerteeinheit (13) den Phasenwin­ kel (β) in jeder Halbwelle der Netzwechselspannung (UN) abhängig vom minimalen Spannungsbedarf der Schaltungs­ anordnung (4) vorgibt, wodurch der erlaubte Laststrom­ flußwinkelbereich (Φmax) seinen größtmöglichen Wert an­ nimmt.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Ansteuerschaltung (7) folgende Schaltungskomponenten aufweist:
  • a) Anschlußpins (P1, P2, P3) als Versorgungseingang (EV), Synchronisiereingang (ESyn) und Steueraus­ gang (ASt),
  • b) als Auswerteeinheit einen mit dem Versorgungsein­ gang (EV) verbundenen Spannungs-Fensterdiskrimina­ tor (13) zur Vorgabe eines ersten Schwellwerts (U1) und eines zweiten Schwellwerts (U2),
  • c) als Synchronisiereinheit einen mit dem Synchroni­ siereingang (ESyn) verbundenen Spannungs-Kompara­ tor (12) zur Vorgabe eines dritten Schwellwerts (U3)
  • d) eine mit dem Ausgang des Spannungs-Fensterdiskri­ minators (13) und dem Ausgang des Spannungs-Kompa­ rators (12) verbundene Ansteuerlogik (10), die das Schaltverhalten des elektronischen Lastschalters (6) in Abhängigkeit der am Versorgungseingang (EV) bzw. am Synchronisationseingang (ESyn) anliegenden Spannung (UV bzw. USyn) steuert,
  • e) eine mit dem Ausgang der Ansteuerlogik (10) ver­ bundene Endstufe (14), deren Ausgang den Steuer­ ausgang (ASt) bildet.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Fensterdiskriminator (13) ein Frei­ gabesignal erzeugt und an die Ansteuerlogik (10) wei­ terleitet, wenn die am Versorgungseingang (EV) anlie­ gende Spannung (UV) den ersten Schwellwert (U1) des Fensterdiskriminators (13) erreicht, und daß der Kompa­ rator (12) ein Ausgangssignal erzeugt, das das Frei­ gabesignal zurücksetzt, wenn die am Synchronisations­ eingang (ESyn) anliegende Spannung (USyn) den dritten Schwellwert (U3) erreicht.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spannung (UV) am Versorgungseingang (EV) über einen Vorwiderstand (RV) und einen Glättungs­ kondensator (Cgl) aus der Netzwechselspannung (UN) ge­ wonnen wird.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (USyn) am Synchronisa­ tionseingang (ESyn) über Synchronisationswiderstände (RSyn1, RSyn2) aus der Netzwechselspannung (UN) gewon­ nen wird.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Fensterdiskriminator (13) ein Steuersignal als Ausgangssignal erzeugt und an die Ansteuerlogik (10) weiterleitet, wenn die am Ver­ sorgungseingang (EV) anliegende Spannung (UV) den zwei­ ten Schwellwert (U2) des Fensterdiskriminators (13) un­ terschreitet, und daß durch das Steuersignal des Fen­ sterdiskriminators (13) der erlaubte Stromflußwinkelbe­ reich (Φmax) verändert wird.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleichrichter (5) vorgesehen ist, der die Netzwechselspannung (UN) gleichrichtet.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Last­ schalter (6) als IGBT-Transistor ausgebildet ist.
10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Last­ schalter (6) als Feldeffekttransistor ausgebildet ist.
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