DD229520A1

DD229520A1 - Schaltungsanordnung zum betrieb von verbrauchern an um ganzzahlige faktoren verschiedenen wechselspannungsamplituden

Info

Publication number: DD229520A1
Application number: DD26996584A
Authority: DD
Inventors: Roland Ruft; Dietmar Freitag; Steffen Bauer
Original assignee: Elektrogeraete Ingbuero Veb
Priority date: 1984-11-28
Filing date: 1984-11-28
Publication date: 1985-11-06

Abstract

Die Erfindung bezweckt, Netzbelastungen durch Unsymmetrien und Abhaengigkeiten von Netzfrequenzschwankungen zu vermeiden. Es wird die Aufgabe geloest, den am Verbraucher umgesetzten Leistungseffektivwert bei verschiedenen Netzwechselspannungen konstant zu halten und so den Betrieb an um ganzzahlige Faktoren verschiedenen Wechselspannungen ohne manuelle Umschaltung zu ermoeglichen. Die Loesung erfolgt nach dem Prinzip der Wellenpaketsteuerung. Die relevanten Zuendimpulse fuer einen Triac werden in Abhaengigkeit von der Netzspannung in ihrer zeitlichen Abfolge gesteuert, wobei die Steuerung digital erfolgt. Die Erfindung ist anwendbar fuer elektrische Geraete, insbesondere Heizgeraete, deren Einsatz in Laendern mit verschiedenen Netzspannungen vorgesehen ist. Fig. 1

Description

Titel der 'Erfindung;

Schaltungsanordnung zum Betrieb von Verbrauchern an um ganzzahlige Paktoren verschiedenen WechseIspannungsamplituden . ·

Anwendungsgebiet der Erfindung ·

Die Erfindung betrifft das Gebiet der automatischen Umschaltung von Y/echselspannungen verschiedener Amplitude, insbesondere die automatische Anpassung von Netzspannungsamplituden, die um einen ganzzahligen Faktor verschieden sind, an einen Leistungswandler, beispielsweise ein elektrisches Heizelement.

Charakteristik der bekannten technischen. Lösungen

Schaltungsanordnungen zum automatischen Anpassen von Ver- . brauchern an unterschiedliche Netzspannungen sind bekannt. Die Notwendigkeit solcher Schaltungen ist immer dann gegeben, wenn elektrische Geräte für Länder produziert werden, in denen verschiedene Netzspannungen auftreten, damit ein manuelles Umschalten entfällt. Das manuelle Umschalten stellt einerseits eine Gefahr für das Gerät dar, denn die Betätigung des Umschalters kann aus Unachtsamkeit vergessen werden.

Andererseits ist der Zwang zum Beachten der richtigen Schalterstellung eine Gebrauchswertminderung.

O λ /ι. ς Λ/,

Eine Schaltungsanordnung zur automatischen Spannungsumschaltung zwischen 125 V und 220 V durch Phasenanschnitt wurde in der Zeitschrift "elektrotechnik", Jg. 65, Heft 17 vom 9. September 1983, Seiten 62 bis 63, beschrieben. Der Leistungswandler, ein Universalmotor, ist für die niedrigere Netzspannung, also für 125 V ausgelegt, indem die Feldwicklungen parallel geschaltet sind. In Reihe mit dem Motor befindet sich ein Triac, dessen Gateanschluß mit dem Ausgang eines Phasenanschnittbausteins verbunden ist. Der Phasenanschnittbaustein realisiert bei 125 V Netzspannung einen Zündwinkel des Triacs von 20° und bei 220 V Netzspannung von etwa 105°. Die Steuergröße für den Phasenanschnitt ergibt sich aus der gleichgerichteten heruntergeteilten Netzspannungshalbwelle, die einem Komparator zugeführt wird_o Der Phasenanschnittbaustein stellt intern eine Referenzspannung zur Verfugung, die mittels eines Sägezahngenerators in Abhängigkeit von der Netzfrequenz erzeugt wird.

Nachteilig an der beschriebenen Lösung ist, daß durch den Phasenanschnitt der Netzspannung Netzbelastungen inform von Unsymmetrien auftreten. Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus der Art und Weise der Bereitstellung der Referenzspannung. Durch die Verwendung eines Sägezahngenerators wird die Schaltungsanordnung abhängig von der Netzfrequenz, die den Sägezahngenerator -steuert. Da sich die Netzfrequenz aber in Abhängigkeit von der Netzbelastung ändern kann, wird die Referenzspannung am Komparator verstimmt, so daß Verfälschungen des Zündwinkels auftreten können und der Leistungswandler mit-,ungeeigneten Netzspannungseffektivwerten betrieben wird. Eine Überlastung und darauffolgende Zerstörung des Leistungswandlers ist nicht auszuschließen.

Da in manchen Ländern außer des Effektivwertes auch die Nennfrequenz der Netzspannung uneinheitlich ist, beispielsweise sind Netze mit 60Hz Nennfrequenz bekannt, muß die äußere Beschaltung des Sägezahngenerators der geweiligen Nennfrequenz anpaßbar sein. Sonst wäre die beschriebene Lösung nicht

universell einsetzbar.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, Verbraucher an um einen ganzzahligen Paktor verschiedenen Netzwechselspannungsamplituden unter Vermeidung von Hetzbelastungen inform von Unsymmetrieη und unabhängig von Netzfrequenzschwankungen zu betreiben.

Darlegung des Wesens der' Erfindung;

Es ist Aufgabe der Erfindung, den Leistungaeffektivwert an einem Verbraucher nach dem Prinzip der Wellenpaketsteuerung unabhängig von der anliegenden Spannung konstant zu halten und derart den Verbraucher an um einen ganzzahligen Paktor verschiedenen Wechselspannungsamplituden ohne manuelle Umschaltung zu betreiben.

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß der Verbraucher auf die niedrigere Spannung ausgelegt, und mit einem Triac in Reihe an die Wechselspannungsklemmen geschaltet und eine Spannungsdetektorschaltung, die die anliegende Hetzspannung in gleichgerichtetem Zustand auswertet, vorgesehen ist. Die Steuerelektrode des Triacs ist mit dem Ausgang einer Torschaltung verbunden, die eingangsseitig an einen NuIlspannungsschalter angeschlossen ist und über einen Steuereingang verfügt, an dem der Ausgang einer digitalen Steuer-.logik und der Ausgang der Spannungsdetektorschaltung anliegen.

Ein erfindungswesentljches Merkmal stellt weiterhin der Aufbau der Steuerlogik dar. Die Steuerlogik besteht aus der Reihenschaltung eines an die gleichgerichtete Hetzspannung angeschlossenen Triggers, eines Frequenzteilers mit dem

Teilerverhältnis f : f = 1 : η und eines Verknüpfungsnetzwerkes .

Eine, wesentliche Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der Ausgang der Spannungsdetektorschaltung mittels eines Schalters, vorzugsweise'eines Transistors, das Ausgangspotential der Steuerlogik bestimmt.

Durch ODSR-Verknüpfung an der Torschaltung ist es möglich, andere Parameter wie beispielsweise die Temperatur zur Steuerung zu benutzen.

Zunächst wird die'Wirkungsweise der Erfindung bei Anschluß an eine niedrigere Netzspannung erläutert. Die Spannungsdetektorschältung spricht in diesem Pail nicht an, so daß deren ausgangsseitiger Schalter geschlossen ist, d. h. der Schalttransistor ist leitend. Der Trigger formt aus der einseitig gleichgerichteten Hetzspannung eine Rechteckimpulsfolge, deren Tastverhältnis unsymmetrisch ist. Der High-Pegel dauert etwa 0,6 T, der Low-Pegel dementsprechend 0,4 T einer Netzspannungsschwingung. Der Frequenzteiler verringert die Frequenz der Rechteckimpulsfolge gegenüber der Frequenz der von dem Trigger geformten Rechteck-

impulsfolge im Verhältnis η : 1.

In diesem Verhältnis wird durch das Verknüpfungsnetzwerk die Ausgangsimpulsfolge'des Triggers ausgezählt und jevJeils der High-Pegel ausgetastet und negiert. Der Schalter der Spannungsdetektorschaltung leitet die Steuerimpulse jedoch ab, so daß der Steuereingang der Torschaltung aktiviert und dadurch die Torschaltung geöffnet .ist. Somit können die am Eingang der Torschaltung anliegenden,, von. dem Nullspannungsschalter aus den Nulldurchgängen der'Netzi/vechselspannung abgeleiteten Zündimpulse die Torschaltung passieren und den Triac in jedem Nulldurchgang der Netzwechselspannung zünden. Dadurch'fällt die gesamte Netzspannung am Verbraucher₂ab und die umgesetzte Leistung ergibt sich zu ?-\_ef£ - ^u-j_eff

Wird die Schaltungsanordnung an eine höhere Netzspannung angeschlossen, spricht die Spannungsdetektorschaltung an. Der ausgangsseitige Schalter wird geöffnet, d. h. der

Schalttransistor sperrt. Die analog dem Betrieb an der niedrigeren" Netzspannung erzeugten Steuerimpulse werden nicht abgeleitet und beaufschlagen somit den Steuereingang der Torschaltung. Die ausgetasteten und negierten Ausgangsimpulse des Triggers aktivieren die Torschaltung derart, daß die ZUndimpulse mit einem Tastverhältnis

t . + t em aus

die Torschaltung passieren bzw. blockiert werden. Entsprechend diesem Tastverhältnis der Zündimpulse reagiert der Triac und am Verbraucher wird eine Leistung" umgesetzt,

ρ die sich ergibt zu ^?2eff ^{= V}I! * ^Ü2 eff '^bz'^w#

	= I₂ IT '	^U1eff²	R	⁼~ ^P2eff
^P2eff	^U2eff	R		_ _l_
	^U1eff	zeigt sich, daß	^P1eff
Da η =

Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist, daß sowohl für die Zündimpulse als auch für. die Steuerimpulse Synchroni tat gegeben ist, da für beide Impulszüge die Ketzfrequenz das Zeitnormal enthält. Bei Veränderungen "der ÜTetzfrequenz bleibt die Synchroni tat erhalten, so daß es keine Verfälschungen der umgesetzten Leistung gibt. Die Anwendung des Prinzips der Wellenpaketsteuerung bewirkrt, daß Uetzbelastungen durch Unsymmetrien ausgeschlossen werden,.

Ausführungsbeispiel '

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung inform 'eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher* erläutert.

Die Zeichnung zeigt in

Pig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen

Schaltungsanordnung; .

_ . Fig.. 2 eine Darstellung einer Spannungsdetektorschaltung;

Fig. 3 eine Darstellung einer Steuerlogik; Pig. 4 Spannungsverläufe zur Dokumentation der Wirkungsweise 'der erfindungsgemäßen Schaltungs-'. anordnung.

Pig. 1 zeigt, einen Wechselstromkreis mit einer Reihenschaltung eines Verbrauchers V, der als elektrisches Heizelement ausgeführt ist und eines Triacs TR, die an eine Weohselspannungsquelle Q angeschlossen ist.

Ebenfalls direkt mit der Wechselspannungsquelle' Q ist ein Uullspannungsschalter Έ verbunden, dessen Ausgang an eine Torschaltung T geführt ist, die wiederum ausgangsseitig an das Gate des Triacs TR angeschlossen ist. Die Torschaltung T verfügt über einen Steuereingang, mit dem die Ausgänge einer Steuerlogik SL und einer Spannungsdetektorschaltung D verbunden*sind. Die Eingänge sowohl der Steuerlogik SL als auch der Spannungsdetektorschaltung D sind über nicht dargestellte Gleichrichter an die Wechselspannungsquelle Q angeschlossen.

In Pig-. 2 ist die Spannungsdetektorschaltung D, wie sie in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ausgeführt ist, dargestellt. Zur Spannungsdetektorschaltung D gehört die Reihenschaltung einer Z-Diode DZ und eines ersten Widerstandes DRT. Die Katode der Z-Diode DZ liegt am positiven Pol der an. der Spannungsdetektorschaltung D anliegenden und aus der Uetzwechselspannung durch Gleichrichtung gewonnenen Gleichspannung.

Mit dem ersten Widerstand DR1 ist die Basis eines Schalttransistors DT verbunden, dessen Kollektor über dnen zweiten

Widerstand DR2 mit dem positiven und desseü Emitter mit dem negativen Pol der Gleichspannung verbunden sind. An den Kollektor des Schalttransistors DT ist weiterhin die Basis des Schalttransistors S geführt, dessen Emitter am negativen Pol der Gleichspannung liegt. Der Kollektor des Schalttransistors S.stellt den Ausgang der Spannungsdetektorschaltung D dar. Die Spannungsdetektorschaltung D ist derart dimensioniert, daß die Spannungseffektivwerte 220 V und 110 7 unterschieden werden.

Pig. 3 veranschaulicht die bevorzugte Ausführungsform der Steuerlogik SL'. Die Steuerlogik SL ist so aufgebaut, daß einem Verhältnis von höherer zu niedrigerer Spannung von 2:1 Rechnung getragen wird»' Die Steuerlogik SL entspricht prinzipiell einer Reihenschaltung der Funktionseinheiten Trigger SLTR, !Frequenzteiler SLP und Verknüpfungsnetzwerk SLV. . .

Der Trigger SLTR besteht aus der Reihenschaltung zweier Negatoren, wobei HAKD-Gatter mit parallel·geschalteten Eingängen Verwendung finden. Der Eingang des Triggers SLTR ist an den negativen Pol einer aus der Hetzwechselspannung gewonnenen negativ pulsierenden Gleichspannung angeschlossen. Ausgangsseitig ist der Trigger SLTR mit dem Takteingang eines ersten JK-Plip-Flops verbunden, dessen direkter Ausgang an den Takteingang eines zweiten JK-Plip-Plops geführt ist. Zusammen stellen die JK-Plip-Plops den Prequenzteiler SLP dar, dessen Teilerverhältnis f_a : f_e = 1 '* 4 beträgt. Der direkte Ausgang des zweiten JK-Plip-Plops ist ebenso wie der direkte Ausgang des ersten JK-Plip-Plops- und der Ausgangdes Triggers SLTR an je einen Eingang des Verknüpfungsnetzwerkes SLV angeschlossen. Als Verknüpfungsnetzwerk SLV dient ein HAHD-Gatter mit drei Eingängen, dessen Ausgang den Ausgang der Steuerlogik SL bildet.

Die in Pig. 4 gezeigten Spannungsverläufe sind qualitativ

als Punktionen der Zeit zu verstehen. Es bedeuten

1. 2·	U U	Il Il f- CM	^ueSLTR ^	3 . Ü4 -
3.	U	3 =	^uaSLTR ^
4.	U	4 =	^ua1SLP ^
5.	U	5 =	^ua2SLF ^(t)
e, 7» 8ο	U U U	6 = . 72 = 82 =	^uaSL ^(t) = ^U ^uaT2 W u_V2 (t)
9. 10.	U ' U	71 = 81 =	u_vl (t)

= Netzspannung

= "-Eingangs spannung Trigger

= Ausgangsspannung Trigger· · ' .

= Ausgangsspannung

1. Flip-Plop

= Ausgangsspannung

2. Flip-Flop

= Steuerimpulsfolge

= ZündimpulsfοIge bei 220V

= Spannung am Verbraucher bei 220 V

= Zündimpulsfolge bei 110V

= Spannung am Verbraucher bei" ViO V

Die Wirkungsweise der bevorzugten Ausflihrungsform der Erfindung geilt aus den in Fig. 4 gezeigten Spannungsverläufen

ueryor.

Ist die¹ Reitiensehaltung aus Verbraucher V und Triac TR an die höhere Uetz-weehselspannung, also an Ü2_e;f:f=220 ^ ^anS^e~ schlossen, werden die Spannungsverläufe U1, U2, Ü3, U4, U5, V6, U72 und U82 wirksam, da die Spannungsdetektorschaltung D anspricht und somit der Schalter S geöffnet ist. Dadurch können die Steuerimpulse U6 die Zündimpulsfolge U72 in der dargestellten Weise beeinflussen.

Liefert die Wechselspannungsquelle Q dagegen eine Netzspannung von U_{1 f}£ = 110 V, steuert der Schalttransistor S der Spannungsdetektors-chaltung D durch. Die Steuerimpulsfolge U6 wird an der Torschaltung T nicht wirksam, so daß als relevante Spannungsverläufe U1, U71 und U81 zu werten-sind, da die Ableitung der Steuerimpulsfolge U6 mittels des Schalters S gleichbedeutend mit einer ständigen Aktivierung des

Steuereingangs der Torschaltung T ist.

Die am Verbraucher V umgesetzte Leistung ergibt sich zu ' 2 ^ ·

^reff'" ^VT ' -Jp- ; R = const. , ·

Es gilt somit

^P1eff ⁼ ^U1eff ; V_φ = 1 : 1 = 1 bei U₁ -~ = 110 V

, ' R ^l . leli

und . ₂

₉ _ff, V₁ . 2eff .. _{7 =} t _± 2exf ^x R ' Φ ' ^e

mit η = ^U2eff

	. 4	* ^U1eff	U	i	1eff
^P2eff ⁼-~- .		R	bei		^U2e
	ist	,· daß
so daß gezeigt	eff
^P2eff ^{= P}1

= 220 V = "2 . U_leff

Am Verbraucher V. wird also sowohl bei U-j_e£_f =-'110 Y als auch bei U₂Qff = 220 V als Hetzwechselspannungen die gleiche Leistung umgesetzt. Dadurch ist es möglich, daß der Verbraucher V ohne manuelle Umschaltung an den genannten Wechselspannungsnetzen betrieben wird. Aufgrund der Anwendung des Prinzips der Wellenpaketsteuerung treten keine ÜTetzbelastungen durch Unsymmetrien auf. Ebenso ist ausgeschlossen, daß bei Abweichungen der Uetzfrequenz Verfälschungen der umgesetzten Leistung bei Anschluß an ^eff ⁼ ^20/V auftreten, da Steuerimpulsfolge U6 und Zümdimpulsfolge U72 stets synchronisiert sind. Bei Anschluß an U_leif = 110 V entfällt die Synchronisation, da die Steuerimpulsfolge U6 nicht relevant ist.

Claims

Brfindungsanspruch

1. Schaltungsanordnung zum Betrieb von Verbrauchern an um einen ganzzahligen Paktor verschiedenen Wechselspannungsamplituden mit einem auf die niedrigere Spannung ausgelegten Verbraucher, der mit einem Triac in Reihe an die Wechselspannungsklemmen geschaltet ist, und einer Spannungsdetektorschaltung, die die anliegende Hetzspannung in gleichgerichtetem Zustand auswertet, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des Triacs (TR) mit dem Ausgang einer Torschaltung (T) verbunden ist, die Torschaltung (T) eingangsseitig an einen lullspannungsschalter (N) angeschlossen ist und über einen Steuereingang verfügt, an dem der Ausgang der Spannungsdetektorschal'tung (D) und der Ausgang einer digitalen Steuerlogik (SL) anliegen.
2. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Steuerlogik (SL) als Reihenschaltung eines an die einpolig gleichgerichtete Netzspannung· angeschlossenen Triggers (SLTR),- eines Frequenzteilers (SLP) und eines Verknüpfungsnetzwerkes (SLV) aufgebaut ist.
3. Schaltungsanordnung nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzteiler (SLF) der Steuerlogik

2 (SL) ein Teilerverhältnis f : f = 1 : η mit ώ=!

η ganzzahlig aufweist.

^U1eff
4. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet,' daß der Ausgang der Spannungsdetektorschaltung (D) als Schalter (S) ausgeführt ist, dessen erster Anschluß mit dem Ausgang der Steuerlogik (SL) und dem Eingang der Torschaltung (T) und dessen zweiter Anschluß mit dem Bezugspotential der Eingangsgleichspannung der Spannungsdetektorschaltung (D) verbunden sind.

- Hierzu 2 Blatt Zeichnungen. - -