DE1563200A1

DE1563200A1 - Steuereinrichtung zum An- und Abschalten eines Verbrauchers an eine Wechselstromquelle

Info

Publication number: DE1563200A1
Application number: DE19661563200
Authority: DE
Inventors: Pinckaers Balthasar Hubert
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1966-08-09
Filing date: 1966-08-09
Publication date: 1970-02-19
Also published as: DE1563200B2; US3443124A

Description

.?ήζ (pi 100. £ Dipl.!ng. R. Mertens

■ Psteut^nwalt Frankfurt/M., Amnieiburgstraße 34

/ 7 r

HONEYWELL ING. ..

2701 Fourth Avenue South Minneaplis 8, Minnesota / TJSA

"Steuereinrichtung zum An- und Abschalten eines Verbrauchers an eine Vechselstromquelle" ·

Me Erfindung b^trifft · eine Steuereinrichtung 2sum An-* ulnd Ab- ■ schalten eines Verbrauchers an eine V/echselstromquelle, wobei die Einsehältdauer dem Ausgangssignal eines Sustandsfühlers etwa proportional ist. " ' '

Zur Steuerung der einem Testaaucher zugeführten Leistung ist

es bereits bekannt, den "b@i d^z¹ Steuerung durch qjLnsn rsgslba rea Torschaltwide^stand auitretendsa Leistungsverlust dadurch su veraoiden, daß der Verbraucher direkt an die

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periodisch an- und abgeschaltet wird. Für die Anschaltung eines Verbrauchers an eine Wechselstromquelle ist es be-" reits bekannt, dem Verbraucher Thyratrons oder gesteuerte Gleichrichter vorzuschalten und durch entsprechende !Phasenlage von Zündimpulsen den Stromflußwinkel durch die gesteuerten Schalter zu verändern. Auf diese Weise wird .ein mehr oder weniger großer Anteil der Wechselstromhalbwellen an den Verbraucher durchgelassen, so daß auf diese Weise die dem Verbraucher zugeführte Energie im wesentlichen verlustlos verändert werden kann. . . ■ .*

Bei der Steuerung des Stromflußwinkels treten jedoch durch Verzerrungen der Wechselstromwellenform Hochfrequenzstörungen auf, die durch kostspielige Filter beseitigt werdenmissen.

"'"Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der angeführten .bekannten Steuerungen zu vermeiden und eine Steuer« einrichtung vorzuschlagen, bei der keimrlei Hochfrequenzstörungen auftreten könnend ...

Die Erfindung geht also aus von einer Steuereinrichtung zum ·' An- und Abschalten eines Verbrauchers an eine Wechselstromquelle aas, wobei die EinsdwJLtda-uer dem Auegangssignal eines Zustandsfühlers etwa proportional ist, und ist gekenn-

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zeichnet durch einen Taktgenerator, der ein periodisch ansteigendes Signal erzeugt; eine Schwellwertschaltung, der dieses Signal sowie das Ausgangssignal des Zustandsfühlers als Summe zugeführt wird* und die beim Übersteigen eines bestimmten Eingangspegels ein Ausgangssignal abgibt; eine von der Wechselstromquelle gesteuerte Torschaltung, die das Ausgängssignal der Schwellwertschaltung nur dann durchläßt, wenn der Augenblickswert der Wechselstromquelle etwa gleich Null ist, und, ' einen an den Ausgang der Torschaltung angeschlossenen Impulsverstärker, der bei federn Ausgangsimpuls der Torschaltung ei. nen Zündimpule für einen in Serie mit dem Verbraucher liegenden elektronischen Leistungsschalter erzeugt·

Sie erfindungsgemäße Steuereinrichtung hat den Vorteil, daß abhängig von dem Leistungsbedarf des Verbrauchers die Ein-.-schaltdauer für eine mehr oder weniger große Anzhl von*Halb-' wellen eingeschaltet wird. Sas Ein- und Abschalten erfolgt hierbei genau zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs der Wechselstromquelle, so daß keinerlei Funkstörungen entstehen können·

• -

Der Taktgenerator ist vorzugsweise ein selbstschwingender Sägezahngenerator, dessen Periodendauer größer als die der Wechselstromquelle ist. Sr kann aus einem Kondensator, einem • Ladewiderstand und einer dem Kondensator parallel geechalteten, bei einem»' bestimmten Pegel ansprechenden Entladestrecke,

* vollen

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ζ,Β, onem Unijunction-Transistor» bestehen.

Der Zeitpunkt des Nulldurchgangs der Wechselstromquelle kann da. durch bestimmt werden, daß die Torschaltung über einen Vollweggleichrichter ohne Siebung von der Wechselstromquelle ge- . steuert wird. Die Schwellwertschaltung kann aus einem Transistor in Emitterschaltung bestehen, dessen Basis über einen Vorwiderstand einen Vorstrom erhält, wobei das vom Taktgenerator koi&7 rnencle Signal vom Pegel Null in stromerhöhender Richtung und das vom Zust&ndsfühler kommende Signal in stromvermindernder Richtung gepolt ist, . .

Ein besonders niedriger Schaltungsaufwand ergibt eich, wenn die Torschaltung -aus den einander paralleC'gescü'alteten Kollektor-Emitter-Strecken des Transistors der 'Schwellwertschaltung und eines weiteren Transistors besteht, wobei letzterer über-einen Speimungsteiler und einen Vollweggleichrichter von der Wechselstromquelle gesteuert, wird. Der Vollweggleichrichter besteht in a$ sich bekannter Weise aus zwei Dioden, die an die Endpunkte

einer mittelangezapften Sekundärwicklung eines von der* Wechselspannung gespeisten Transformators angeschlossen sind, wobei an die Sekundärwicklung wei$$re Gleichrichter zum Erzeugen von verschiedenen Betriebsgleichapannungen angeschlossen eein können, r' "

Der Ausgang des Lnpulsveretärkere kann über einen Wideretand

auf den Eingang des Transietore der Schwellwertschaltung zurück-

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gekoppelt sein, derart, daß eine schwellwertabhängige Kippschaltung gebildet wird. Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung ist dadurch gekennzeich«.

net, daß der Taktgenerator nicht selbstschwingend ausgebildet ist und daß er vom Ausgang der Torschaltung angestoßen

/■ ·

wird. Als elektronische Leistungsschalter -ist vorzugsweise eine Haibleiter-Vechselstromtriode vorgesehen.

Der Erfindungsgegenstand wird nachfolgend anhand von Ausfüh- ' rungsbeispielen anhand der beigefügten Figuren- näher erläutert,

Figur 1 zeigt das Blockschaltbild einer Ausführungsform der . erfindungsgemäßen Steuereinrichtung . , .

Figur 2 zeigt das Blockschaltbild einer. Weiteren Ausführungsform

-Figur 3 zeigt das Schaltbild der in Figur 1 dargestellten "

Steuereinrichtung

\ \
Figur 4 zeigt die Wellenform an verschiedenen Punkten der

ι ' ■ ·

Schalfanordnung^nach Figur 3.

Bei der in dem Blockschaltbild der Figur 1 gezeigten Steuereinrichtung¹ erzeugt ein. selbstschwingender Taktgenerator 1 eine sägezahnförmige Ausgangsspannung, die an den Eingang einer Schwellwertschaltung > gelangt. Der Schwellwertschaltang 3 wird außerdem die

tung 2 augeführt, die β·Β· a%s einer

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einem Temperaturfühler besteht* Sobald die Summe der Momentan-

■ ■ ■ i werte des Taktgenerators 1 bzw. der Fühlerschaltung 2 einen bestimmten Wert überschreitet, gibt die Schwellwertschaltung ein AusgangsSignal an eine Torschaltung 4 ab.

* Die Torschaltung 4- wird über eine Leitung 9 von einer Wechselstromquelle 6 derart gesteuert,.daß sie das Ausgangssignal der Schwellwertschaltung 3 nur dann durchläßt, wenn der Momentanwert der Wechselspannung der Wechselstromquelle 8 etwa gleich Null ist. Das Ausgangssignal der torschaltung 4 gelangt an einen Impulsverstärker 5» der Zündimpulse an den Steuereingang eines elektronischen Leistungsschalters 6 gibt. Der Leistungsschalter 6 schaltet die Wechselspannung der Wechselstromquelle 8 an einen Verbraucher 7 durch.

Der Ansprechpegel der Schwellwertschaltung 3 ist so eingestellt, „daß nur dann für eine bestimmte Zeit ein Signal am Ausgang erscheinen kann, wenn die Fühlerschaltung ein Ausgangssignal liefert. Die; Amplitude und die Lage der Sägezahnspannung des Taktgenerator ist so - gewählt, daß ohne Fühlersignal am Eingang die Signalspitzen gerade unter dem Schwellwert der Schwellwertschaltung 3 liegen. ·

Das AusgangsSignal der Schwellwertschaltung 3 gelangt zum Zeitpunkt des Nulldurchganges der Wechselspannung an den Eingang des Impulsverstärkers 5· Buren diesen wixft, wenn Bedarf vorhanden ist, der elektronische Leistungsschalter 6 bei jedem Null-Durchgang gezündet, so daß der Verbraucher 7 eine bestimmte Anzahl von vollen Halbwellen der Wechselstromquelle 8

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ORIGINAL

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Die in dem Blockschaltbild der Figur 2 gezeigte^ Steuereinrichtung unterscheidet sich von der der Figur 1 nur in der Weise, daß statt des selbstschwingenden Taktgenerators 1 ein nicht selbstschwingender Taktgenerator 101 vorgesehen ist und daß dieser vom Ausgang der Torschaltung 104 über eine Rückkopplurigsverbindung 111 angestoßen wird. Das Anstossen des Taktgenerators 101 erfolgt immer dann, wenn sich das Aus gangs signal der Torschaltung 104 ändert. Zweckmäßigerwe ^- se ist der Taktgenerator 101 mit einem Ladekondensator, einem Ladewiderstand und einem Entladeglied aufgebaut.

« · Figur 3 zeigt nun das Schaltbild einer Steuereinrichtung , die nach dem Prinzip der Figur 1'aufgebaut ist* Die einzelnen Blöcke der Figur 1 sind in der Figur 5'durch gleiche Bezugszeichen angedeutet. Die zu einem Block gehörenden Bauelemente der Figur 3 sind mit solchen Bezugszeichen versehen, deren Dekade jauf den zugehörigen Block der Figur 1 hinweist. Figur 4 zeigt die Wellenformen an den einzeien Funkten Schaltungsanordnung der Fig4 3. Hierbei zeigt A die Span-

an der Wechselstromquelie 8; B die Sägezahspannung'der Basis

des Transistors 41, wobei der Pegel durch einen Basisvorötrom etwas ins Positive verschoben ist; C das Fühlersignal allein am Sollektor des Transistors 21; D die Summe von 3+0 an der . Basis .von 41; E den Schaltzustand des Transistors 41; 7 die mit einem Vollweggleichrichter erzeugte Steuerspannung an der Basis des Transistors 42; G die Steuerspannung an der Basis

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des Impulsverstärkertransistors 53>· wobei diese etwa den Zündimpulsen für.den elektronischen'Leistungsschalter entspricht; H die Spannung an der Last 7·

Der Taktgenerator 1 besteht im wesentlichen aus einem Unijunction-Transistor (entspricht etwa einer Doppelbasisdiode) 11, einem Lade kondensat or 14- und einem Ladewid-erstand 15· Der Kondensator 14 wird über den Widerstand 13 nach einer e-Funktion aufgeladen und beim Erreichen eines bestimmten Spannungswertes von der Entladestrecke des Unijunction-Transistors 13 entladen. Auf diese Weise entsteht also an dem Kondensator 14 eine Sägezahnspannung (3?ig. 4B) , die über den als Emitterfolgestufe geschalteten Transistor 15 und über einen. Widerstand 16 an die Basis des die Schwellwertschaltung 4 bildenden Transistors 41 gelangt. Der Basis des Transistors 41 wird außerdem •,über einen Widerstand .31 ein Yorstrom zugeführt, so daß der Transistor leitend ist. Die Spannung am Kollektor des Transistors 41 ijst gegenüber dem am Emitter liegenden Masse-potential etwa glfeich IJulJL.. Da„jdas Ausgangssignal des Taktgenera-

• - · £ors 1 in positiver Richtung liegt, bleibt der Transistor 41

also immer leitend.

Die mit dem Bezugszeichen ^bezeichnete Füh£rschaltung4enthält einen Transistor 21, dessen Kollektor ebenfalls mit der Baäs des Transistors 41 verbunden ist. Daa Ausgangssignal der Fühlerschalturfg 2 (s.Fig.4G) ist von KuIl aus. negativ gerichtet und beim Erreichen einer bestimmten Amplitude in der-Lage, den Strom bei einem niedrigen Augenblickswert der Sägezahnspannung

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des Taktgenerators 1 zu sperren (s. Summensignal Fig. 4D). In diesem Fall tritt am Kollektor des Transistors 41 eine höhere * Spannung auf, die an die Basis des als Impulsverstärker 5 ^ arbeitenden Transistors 53 geleitet wird. Diese Spannung* am Kollektor dete Transistors 41 kann jedoch nur dann auftreten, wenn der diesem parallel geschaltete Transistor 42 gesperrt ist. Dieses wird an der Basis, über einen Spannungsteiler 44, 45 und einen Vollweggleichrichter 83, 84 von der Wechselstromquelle 8 angesteuert (siehe Fig. 4 F). Hierdurch wird erreicht, daß der Transistor 42 nur zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs der Wechselspannung gesperrt ist, so daß das Ausgangssignal des Transistors 41 nur dann an den 'Transistor 53 weitergeleitet w.erden kann, während es zu allen anderen Zeitpunkten kurzgeschlossen wird. ·■

ι ' Fig. 4 G zeigt die Impulsfolge», die den Transistor 53 ansteuert

" und entsprechende Zündimpulse für den elektronischen Leistungsschalter 6 erzeugti Der elektronische Leistungsschalter 6 ist über einen Impulstransformator 51» 52 angeschlossen und besteht

ί '

im "vorliegenden Beispiel 'aus einer Hälbleiter-Wechselstromtriode, die bei jedem Zündimpuls leitend wird und für jeweils eine ■ Halbwelle der in die Klemmen 80 eingespeisten Wechselspannung leitend bleibt. Solche Wechselstromtrioden werden z.B. von der Firma General Electric unter der Handelsbezeichnung "TEIAC" hergestellt« Sie bestehen im Prinzip aus zwei antiparallel geschalteten, gesteuerten Siliaiumgleichrichtern, die "jedoch in einem einzigen Block vereinigt sind. In der Impulsfolge G treten

*· positive '

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während der ersten, Periode 201 der Sägezahnspannung B fünf Impulse 221 auf§ w&s zur Folge hat, daß dem Verbraucher' 7 fünf Halbwelleq 251 (sieh© Fig_e 4 H) der Wechselstromquelle

zugeführt werdea® In dea? zweiten Periode 202 der Sägezahnspannung B ist das Fühler-signal C schon geringer geworden_swas einen niedrigen Leistungsbedasf das Verbrauchers anzeigt.'In . der Impulsfolge & treten dajm aur noch vier Impulse 222 auf, - die am Verbraucher vier Halbwallen 232 j also eine verringerte . Seisüing, erzeugen« In der dritten Periode 205 der Sägezahn=»

spannung ist. das 3?iltersign©l 0 gleich KuIl j * so daß die Summenspannung S sieht mekr unter Null, den Schwellwert 'der Schwellwertschaltung 4₈ gelangt« Baduröh bleibt der 3?ransis» ' tor 41 leitendj und an den Impulsverstärker 5 werden keine Impulse mehr gegeben.

Die WechselistromiQuelle 8 . besteht aus einem Wechselstromanschluß 80 und einem.Transformator 91» 90« Aus der mittelan-

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gezapften Sekundärwicklung werden, außer der Steuerspannung für den Transistor- 42 üVeiA^8Bi Gleichrichter 82 eine positive Betriebsspannung und über die Gleichrichter 85₈ 86 eine negative Betriebsspani.. ng für di© gesamte Einrichtung abgeleitet.Beide Spannungen werden über Kondensatoren 81 bzw. .87 geglättet. .

Dem Eingang des Traneistors 41 ist eine. Diode-J2 parallel-

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geschaltet, die die negativen Spitzen der Impulsfolge D ab- . ■ schneidet, um eine Zerstörung des Transistors durch zu hohe Sperrspannungen an der Basis auszuschließen. Außerdem ist vom Ausgang (Kollektor)des Impulsverstärkers 5 (Transistor 53) eine Rückkopplung durch einen Widerstand 10 zur Basis des Transistors 41 vorgesehen. Hierdurch'wird eine schwellwertabhängige Kippschaltung gebildet, bei der die Zustandswechsel zwischen gesperrten und leitenden Zuständen der Transistoren 41 und 53 sehr schnell erfolgt.¹ Hierdurch werden besonders scharfe Zündimpulse (Fig. 4 G) an den elektr.oniaöBea Schalte r 6 •geliefert. · .

Patentansprüche :

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

/ί.) Steuereinrichtung zum An- und Abschalten eines Ver-. brauchers an eine Wechselstromquelle, wobei die Einschaltdauer dem Ausgangssignal eines' Zustands'f ühlers etwa proportional ist, gekennzeichnet durch einen Taktgenerator (1), der ein periodisch ansteigendes Signal erzeugt; eine Schwellwertschaltung (3), der dieses Signal sowie das Ausgangsslghal des Zustandsfühlers (2) als Summe zugeführt wird und die beim Übersteigen eines bestimmten Eingangspegels ein Ausgangssignal abgibt; eine von der Wechselstromquelle (8) gesteuerte Torschaltung (4), die das Ausgangssignal der -Schwellwertschaltung nur dann durchläßt, wenn der. Augenblickswerjb der iWechselstromquelle (B) etwa gleich Null ist, und feinen;an den Ausgang der Torschaltung angeschlos-•senen Impulsverstärker' (5), der bei jedem Ausgangsimpuls der Torschaltung einen Zündimpuls für einen in Serie mit dem Verbraucher (7) liegenden elektronischen Leisfcüngs-' schalter (6) erzeugt.. ' ' .

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_. 14 .
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, da-durch., gekennze ich net, daß der Taktgenerator (1) ein selbstschwingender Sägezahngenerator ist, dessen Beridde'ndauer größer als die der Wechselstromquelle (8) ist.
3. Steuereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgenerator . · (1) aus einem Kondensator (14),.einem Ladewiderstand (13) und einer dem Kondensator paral3,elgegchalteten, bei einem bestimmten Pegel ansprechenden Entladestrecke, z.B. einem Unijunction-Transistor (11), besteht.
4. Steuereinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Torschaltung (4) über einen Vollweg-Gleich-

' richter j (83,84) ohne Siebung von der Wechselstromquelle

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(8) gesteuert w.i-rd. ^
5» ' Steuereinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertschaltung (3) aus einem Transistor (41) in Emitterschaltung besteht, dessen Bäsie über einen Yorwiderstand (31) einen Torstsfom erhält, und daß

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das vom Taktgenerator (1) kommende Signal vom Pegel Null in stromerhöhender Richtung und das vom Zustandsfühler (2) kommende Signal in stromvermiridernder Richtung gepolt ist.
6. Steuereinrichtung nach den Ansprüchen 4 und. ^dadurch gekennzeichnet, daß die £ schaltung aus den einander parallel geschalteten Kollek-.tpr-Emitter-Strecken des Transistors (41) der Schwell-. wertschaltung (3) und eines weiteren, Transistors (42) besteht, wobei letzterer über einen Spannungsleiter (44,4-5) und einen Vollweg-Gleichrichter von der Wechselstromquelle (8) gesteuert wird.
7· ..Steuereinrichtung nach Anspruch 4 oder 6, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der Vollweg-Gleichrichter in an sich bekannter Weise aus zwei Dioden (83,84):-be-

' ί
steht, 'die an,.die Endpunkte einer mittelangezapften Se-

kundärwicklung (90) eines von der Wechselspannung (80) gespeisten Transformators angeschlossen sind, und daß an die" Sekundärwicklung (90) weitere Gleichrichter (82, 85«86) zum Erzeugen von verschiedenen Betriebsgleichspannungen angeschlossen sind. ■

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8. Steuereinrichtung nach Anspruch 5j dadurch geke-nnzeic.hnet, daß der Ausgang des

Impulsverstärkers (5) über einen Widerstand (10) auf den Eingang des Transistors (41) der Schwellwertschaltung (3) zurückgekoppelt ist, derart, daß eine schwellwertabhängige Kippschaltung gebildet wird.
9. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, daß der Taktgenerator (101) nicht selbstschwingend ausgebildet ist und daß er vom Ausgang der Torschaltung (104) angestoßen wird..
10. Steuereinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronischer Leistungsschalter (6). eine Halbleiter-Wechselstronfccio&e vor-

i ι

gesehen !ist., - .

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