DE1638529B2 - Elektronische schalteinrichtung mit einem triac - Google Patents

Description

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(eJ-trode des steuerbaren Halbleiterschalters, dann ' der Triac zu Beginn des Nulldurchgangs der -— auftretenden positiven Halbwelle tier Wech- paimjng erneut gezündet und leitet wiederum in jden Richtungen während aufeinanderfolgender rechselspannungshalbweuen einen Strom zum Versucher.

Da der Triac und der zweite steuerbare Halbleiterschalter jeweils zu Beginn einer Wechselspai>nungs-Bhalbwelle gezündet werden, treten praktisch keine Ifchaltüberspanmrngen oder andere Störspannungen Jtuf. Da der Triac außerdem nur bei einem Auftreten ■deiner Wechselspansungshalbwelle einer vorgegebenen ßpolarität gezündet wird und beim Abschalten bis zur •«nächsten Wechsekpannungshalbwelle der gleichen Polarität nach dem Auftreten des Steuersignals an der [Steuerelektrode des gesteuerten Halbleiti-rschalters leitend bleibt, wird der Verbraucher immer mit einer ganzen Anzahl von Wechselstromperioden gespeist.

Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt. Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Darstellungen zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltungssymbol für einen Triac, wie es in den folgenden Figuren verwendet wird,

I i g. 2 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung und

F i g. 3 ein Schaltbild eines zweiten Ausf ührungsbc ispiels der Erfindung.

Vor der Beschreibung der in den F 1 g. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung soll kurz auf die Eigenschaften und die Arbeitsweise eines Triac eingegangen werden.

Der Triac ist eine ungepolte Thyristor-Triode und arbeitet ähnlich wie ein steuerbarer Siliziumgleichrichler (SCR). Beide können durch ein Signal an ihrer Steuerelektrode gezündet werden, wenn an den Hauptelektroden eine gewisse Mindestspannung liegt, und beide bleiben leitend, bis die Spannung an ihren Hauptelektroden unter die sogenannte Haltespannung fällt. Der hauptsächliche Unterschied zwischen einem Triac und einem steuerbaren Siliziumgleichrichter (SCR) besteht darin, daß ersterer in zwei Richtungen Strom zu führen vermag, während letzterer nur in einer Richtung leiten kann. ⁴S

In F i g. 1 ist das hier verwendete Schaltungssymbol für einen Triac dargestellt. Wenn an den Hauptelektroden T₁, T₂ eine solche Spannung liegt, daß T₁ positiv bezüglich T₂ ist, wird der Triac beim Anlegen einer Steuerspannung an die Steuerelektrode G, welche entweder positiv oder negativ bezüglich T₂ sein kanu, gezündet, so daß ein (in konventioneller Richtung gerechneter) Strom von T₁ nach T₂ fließt. Wenn andererseits T₁ negativ bezüglich T₂ ist, kann der Triac ebenfalls durch eine positive oder negative Steuerspannung an der Steuerelektrode G gezündet werden, und es fließt dann ein Strom von T₂ nach T₁. Eine Triac kann also mit zwar unterschiedlicher Empfindlichkeit in einer der folgenden Betriebsarten betrieben werden, wobei alle Polaritäten auf T₂ bezogen sind:

Betriebsart	T1	G
1 2 3 4	positiv positiv negativ negativ	positiv negativ positiv negativ

Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfiadung ist eine Klemme 10 einer Weehselspannungsquelie mit der Klemme T₁ eines Triac 15 verbun* den. Die zweite Hauptklemme T₈ des Triac 15 ist mh einer Klemme 16 eines Verbrauchers 20 verbunden, dessen andere Klemme 18 an eine zweite Klemme 12 der Wechselspannungsquelle angeschl&ssen ist Zwischen die Steuerelektrode G des Triac 15 und die zweite Klemme 12 sind ein erster Widerstand 22 und eine erste Diode 24 in der angegebenen Reihenfolge geschaltet; die Diode 24 ist dabei so gepolt, daß sie Strom in konventioneller Richtung zur zweiten Klemme 12 zu leiten vermag. Zwischen den Verbindungspunkt 23 des Widerstandes 22 und der Diode 24 und der Hauptklemme T₈ des Triac 15 ist ein Kondensator 26 geschaltet Zwischen die Hauptklemme T₁ und die Steuerelektrode G des Triac sind ein zweiter Widerstand 28 und eine zweite Diode 30, die in der angegebenen Reihenfolge hintereinander liegen, geschaltet, wobei die Diode 30 so gepolt ist, daß sie Strom in konventioneller Richtung zur Steuerelektrode G leitet. An den Verbindungspunkt 29 zwischen dem Widerstand 28 und der Diode 30 ist die Anode 32 eines steuerbaren Siliziumgleichrichters (SCR) 35 geschaltet. Die Kathode 34 des Siliziumgleichrichters 35 ist an die zweite Klemme 12 der Wechselspannungsquelle angeschlossen.

Die an Hand von F i g. 2 beschriebene Schaltungsanordnung arbeitet folgendermaßen:

Wenn der Steuerelektrode 33 des steuerbaren Siliziumgleichrichters 35 ein Steuersignal zugeführt wird und das Potential an der Klemme 10 positiv bezüglich des Potentials an der Klemme 12 wird, zündet der steuerbare Siliziumgleichrichter 35, und es fließt ein Strom von der Klemme 10 durch den Widerstand 28 und den steuerbaren Siliziumgleichrichter 35 zur Klemme 12, wobei der Triac 15 und der Verbraucher 20 umgangen werden. Wenn dann das Potential an der Klemme 10 negativ bezüglich des Potentials an der Klemme 12 wird, werden die Dioden 24 und 30 sowie der steuerbare Siliziumgleichrichter 35 in Sperrichtung beaufschlagt, und da sich der Triac 15 im nichtleitenden Zustand befindet, ist kein geschlossener Stromweg vorhanden, durch den ein Strom fließen könnte.

Um die Einrichtung in den Betriebszustand zu bringen, in dem der Verbraucher 20 mit Leistung versorgt wird, muß das Signal von der Steuerelektrode 33 des steuerbaren Siliziumgleichrichters 35 abgeschaltet v/erden, so daß der steuerbare Gleichrichter 35 nicht mehr ¹ zünden kann. Wenn dann anschließend das Potential an der Klemme 10 positiv bezüglich der Klemme wird, wird die Diode 30 in Flußrichtung beaufschlagt und leitet Strom zur Steuerelektrode G des Triac, wodurch dieser in seinen ersten leitenden Zustand entsprechend der obenerwähnten Betriebsart 1 geschaltet wird. Anschließend fließt während des restlichen Teiles der positiven Halbwelle des Wechselstromes Strom von der Klemme 10 durch den Triac 15 und den Verbraucher 20 zur Klemme 12. Während dieser Wechselstromhalbwelle ist auch die Diode 24 in Flußrichtung vorgespannt, und der Kondensator 26 lädt sich über sie auf eine Spannung auf, die dem Spannungsabfall am Verbraucher 20 entspricht; die Klemme des Kondensators 26, die mit der Hauptklemme T₂ des Triac verbunden ist, lädt sich dabei positiv bezüglich der mit dem Verbindungspunkt 23 verbundenen Klemmendes Kondensators 26 auf. An einem bestimmten Zeitpunkt während dieser Wechselstromhalbwelle,?d>h.j wenn

das Potential an der Klemme 10 positiv bezüglich der tung nach Fig. 3 eingeschaltet, und diese Widerstände Klemme 12 ist* wird dann das Potential an der mit vervollständigen einen Reihenstromweg, der vom Verdem Verbindungspunkt 23 verbundenen Klemme des bindungspunkt 29 über den Widerstand 44, die Diode Kondensators 26 so weit negativ bezüglich des Pöten- 3p, den Widerstand 46 und den Verbraucher 20 führt, tials an der !Cathode der Diode 24, daß die Diode 5 Durch diesen Reihenstromweg ivird der Spannungssperrt,, und der Kondensator 26 beginnt, ■ sich dann abfall von maximal etwa 2 Volt so weit abgeschwächt, durch den Widerstand 22 in_; die Steuerelektrode G des daß ein vorzeitiges Zünden des! Triac 15 verhindert Triac 15 zu entladen. Die Entladezeitkonstante des wird, da der Hauptteil des Spannungsabfalls am WiderüC-Kreises ist durch geeignete Wahl der Werte des stand 44 und der Diode 30 auftritt.
Widerstandes 22 und des Kondensators 26 so lang ge- ίο Wenn an der Steuerelektrode 33 des steuerbaren macht, daß der Entladestrom des Zeitkonstanten- 'Siliziumgleichrichters 35 kein Steuersignal liegt, zündet kreises bei Polaritätsumkehr der Wechselspannung, der Triac 15 beim Auftreten der ersten bezüglich der also wenn die Klemme 10 negativ bezüglich der Klemme 12 positiven Wechselspannungshalbwelle an Klemme 12 wird, die Thyristor-Triode 15 in den zwei- der Klemme 10. Wie bei der Schaltung nach F i g. 2 ten Leitungszustand entsprechend dem obengenannten 15 fließt dann ein Strom von der Klemme 10 durch den Betriebszustand 4 bringt. Triac 15 und den Verbraucher 20, und der Konden-

Die oben beschriebenen Vorgänge wiederholen sich sator 26 wird durch die Diode 21 auf einen Wert aufwährend der anschließenden Wechselstromzyklen. geladen, der gleich dem Spannungsabfall am Ver-

Zum Abschalten der Leistung vom Verbraucher 20 braucher 20 ist. Der Entladestromweg des Zeitkonmuß der Steuerelektrode 33 des steuerbaren Silizium- ao stantenkreises ist bei F i g. 3 jedoch durch den zusätzgleichrichters 35 ein Steuersignal zugeführt werden. liehen Widerstand 42 gegenüber der Schaltung nach Nachdem dies geschehen ist, zündet der Silizium- F i g. 2 abgeändert. Der Widerstand 42 setzt die Entgleichrichter 35 bei der nächsten positiven Wechsel- ladezeitkonstante des Zeitkonstantenkreises herab und spannungshalbwelle, d. h., wenn die Klemme 10 posi- verhindert eine Entladung des Kondensators 26 für tiv bezüglich der Klemme 12 wird, und schließt dabei 25 eine Dauer, die langer ist als die negative Halbwelle die Punkte 29 und 12 kurz, so daß sich der Konden- der Wechselspannung, bei der also die Klemme 10 sator 26 nicht mehr aufladen kann. Beim Fehlen einer negativ bezüglich der Klemme 12 ist. Hierdurch wird Ladung am Kondensator 26 kann der Triac 15 wäh- verhindert, daß der Triac entsprechend der obenerrend der nächsten negativen Halbwellen nicht mehr wähnten Betriebsart 2 gezündet wird, nachdem der gezündet werden. 30 Steuerelektrode 33 des steuerbaren Süiziumgleichrich-

Das in F i g. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel der ters 35 ein Steuersignal zugeführt worden ist. Bei Ab-Erfindung unterscheidet sich von dem nach F i g. 2 Wesenheit der Diode 40 würde sich der Kondensator 26 durch die folgenden zusätzlichen Merkmale: über den Widerstand 42 aufladen können, während

Zwischen die Klemme 16 und die Klemme 18 des Strom von der Klemme 12 durch den Verbraucher zur Verbrauchers sind eine dritte Diode 40 und ein dritter 35 Klemme 10 fließt. Da der Kondensator bei diesem Widerstand 42 geschaltet, die in der angegebenen Stromfluß mit der falschen Polarität aufgeladen würde, Reihenfolge hintereinander geschaltet sind. Die Diode wird die Diode 40 vorgesehen, die den Kondensator 26 40 ist dabei so gepolt, daß sie Strom in konventioneller kurzschließt, wenn sie in Flußriclitung vorgespannt ist, Richtung zur Klemme 16 des Verbrauchers 20 leitet wenn die Klemme 10 negativ bezüglich der Klemme Zwischen den Verbindungspunkt 41 des Widerstandes 40 12 ist.

42 und der Diode 40 einerseits und dem Verbindungs- Bei den Einrichtungen gemäß der Erfindung wird

punkt 23 ist eine Verbindungsleitung geschaltet Mit der Triac immer während des anfänglichen Teiles aufder Leitung, die den Verbindungspunkt 29 mit der einanderfoJgender Wechselspannungszyklen gezündet, Diode 30 verbindet ist ein vierter Widerstand 44 in wenn der absolute Betrag der Spannung zwischen den Reihe geschaltet Zwischen der Steuerelektrode G und 45 Hauptelektroden sehr klein ist, also kurz nachdem die der Hauptklemme T₂ des Triac 15 liegt ein fünfter an den Eingangsklemmen liegende Wechselspannung Widerstand 46. durch Null gegangen ist. In entsprechender Weise

Die Einrichtung nach F i g. 3 arbeitet ganz ähnlich schaltet der Triac immer am Ende dei aufeinanderwie die nach F i g. 2. Die zusätzlichen Merkmale stellen folgenden Wechselspannungszyklen, wenn der absoeine gewisse Verfeinerung dar, die aa Hand des Be- 50 lute Betrag der Spannung an den Klemmen dieses triebes der Einrichtung erläutert werden soll. Halbleiterbauelementes sehr klein ist, d. h. kurz bevor

Wenn der Steuerelektrode 33 des steuerbaren SiIi- die an den Eingangsklemmen liegende Wechselspanziumgleichrichters 35 ein Steuersignal zugeführt wird nung Null wird. Schaltüberspannungen und andere und das Potential an der Klemme 10 positiv bezüglich Schalteffekte können daher praktisch nicht auftreten, der Klemme 12 wird, arbeitet die Schaltung, wie es an 55 Außerdem wird der Triac immer bei einer gegebenen Hand von F i g. 2 beschrieben wurde. Es ist jedoch positiven Wechselspannungshai bwelle das erste Mal vorstellbar, daß der Spannungsabfall am steuerbaren gezündet und bleibt bis zur ersten positiven Wechsel-Siliziumgleichrichter 35 bis auf 2 Volt ansteigt Bei der stromhalbwefle, die auf das Anlegen des Steuersignals in F i g. 2 dargestellten Schaltungsanordnung würde an die Steuerelektrode des steuerbaren SULziumgleichdieser Spannungsabfall auch an der Reihenschaltung 60 richters folgt, leitend.

aus der Diode 30, dem Widerstand 22 und der Diode 24 Der Verbraucher wird also immer mit einer ganzen

erscheinen. Da der Spannungsabfall an der Diode 30 Anzahl von Wechselspannungsperioden gespeist.
nur etwa in der Größenordnung von 0,5 Volt liegt, be- Als Widerstand 28 kann gegebenenfalls eine Einsteht die Möglichkeit, daß die verbleibende Spannung richtung mit veränderlicher Impedanz vorgesehen sein, von 1,5 Volt, die an der Steuerelektrode G des Triac 15 65 die aktiv oder passiv sein kann, so daß eine Anpassung auftritt, zu deren Zünden ausreicht. Um dieses uner- an Verbraucher verschiedener Impedanzen möglich ist, wünschte Ergebnis zu verhindern, sind die Wider- und/oder die Diode 40 und der Widerstand 42 können stände 44, 46 in der dargestellten Weise in die Schal- durch eine Zeuerdiode ersetzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

ja beiden Richtungen durchlässig, fcis die Steuerelek- Patentansprüche: fcrodenspannung wieder verschwindet und die an dm Hauptelektroden liegende Wechselspannung unter

1. Elektronische Schalteinrichtung mit einem einem sogenannten Haltewert s. Bei der be-Triac in Reihe mit einer zu schattenden Last und 5 kannten Schalteinrichtung ist die Steuerelektrode des einer Wechselspannungsquelle, dadurch ge- Triac über einen Widerstand und einen Steuerkontakt kennzeichnet, daß die Steuerelektrode (G) mit einer der Hanptelektroden des Triac verbunden, des Triac (15) über eine Gleichrichterdiode (30) mit Der Triac kann durch Schließen des Steuerkontaktes dem VerbinduBgspunkt φ) eines ejisten Wider- zajedemljeHebigm Zeitpunkt leitend gesteuert werden. Standes (28) und eines zweiten steaerbaren Halb- v> Demgegenüber besteht die Aufgabe der &findung in leiterschallers (35) verbanden ist, daß das andere der Verbesserung einer derartigen Schalteinrichtung in Ende des ersten Widerstandes (28) an der mit dem dem Sinne, daß ein Einschalten der Last über den (einen Anschluß (10) der WechseJsparanungsquelle Triac nur in der Nähe der Nuflduschgänge der Wechsel-(10, 12) verbundenen Hauptelektrode (F₁) des spannung erfolgen kann, 90 daß Schaltüberspannungen Triac (15) liegt und die Kathode der Gleichrichter- 15 infolge von Ausgleichsvorgängen vermieden werden, diode (30) mit der Steuerelektrode (G) des Triac (15) wie sie auftreten, wenn die Last in beliebigen Ampliverbunden ist, daß ein Kondensator (26) mit einem tudenwerten der Wechselspannung ein- bzw. ausge-Ende an den Verbindungspunkt (16) des Triac (15) schaltet wird. Insbesondere bei stark induktiven Lasten mit der Last (20) und mit seinem anderen Ende an werden dabei nämlich dem Wechselspannungsnetz den Verbindungspunkt (23) eines zweiten Wider- 20 Störspannungen aufgeprägt, welche sich bei anderen Standes (22) mit einer zweiten Diode (24) ange- Verbrauchern unangenehm bemerkbar machen können, schlossen ist und der zweite Widerstand (22) mit Diese Aufgabe wird bei einer elektronischen Schaltseinem diesem Verbindungspunkt (23) abgewandten einrichtung der eingangs erwähnten Art erfindungs-Ende an der Steuerelektrode (G) des Triac liegt, gemäß dadurch gelöst, daß die Steuerelektrode des während die zweite Diode (24) mit ihrer dem Ver- 25 Triac über eine Gleichrichterdiode mit dem Verbinbindungspunkt (23) abgewandten Kathode an dem dungspunkt eines ersten Widerstandes und eines zweimit der Last (20) verbundenen Anschluß (12) der ten steuerbaren Halbleiterschalters verbunden ist, daß Wechselspannungsquelle (10, 12) liegt, und daß die das andere Ende des ersten Widerstandes an der mit Entladezeitkonstante des Kondensators (26) aus- dem einen Anschluß der Wechselspannungsquelle verreichend lang zum Leitendhalten des Triac während 30 bundenen Hauptelektrode des Triac liegt und die der gesamten Periode der umgekehrten Polarität Kathode der Gleichrichterdiode mit der Steuerelekder Wechselspannung bemessen ist. trode des Triac verbunden ist, und daß ein Konden-

2. Elektronischer Schalter nach Anspruch 1, da- sator mit einem Ende an den Verbindungspunkt des durch gekennzeichnet, daß der zweite steuerbare Triac mit der Last und mit seinem anderen Ende an Halbleiterschalter (35) ein steuerbarer Silizium- 35 den Verbindungspunkt eines zweiten Widerstandes mit gleichrichter ist. einer zweiten Diode angeschlossen ist und der zweite

3. Elektronischer Schalter nach Anspruch 1, da- Widerstand mit seinem diesem Verbindungspunkt abdureh gekennzeichnet, daß in Reihe mit der ersten gewandten Ende an der Steuerelektrode des Triac liegt, Gleichrichterdiode (30) ein Widerstand (44) liegt. während die zweite Diode mit ihrer dem Verbindungs-

4. Elektronischer Schalter nach einem der vor- 4° punkt abgewandten Kathode an dem mit der Last verstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, bundenen Anschluß der Wechselspannungsquelle liegt, daß zwischen die Steuerelektrode (G) und die mit und daß die Entladezeitkonstante des Kondensators der Last (20) verbundene Hauptelektrode (T_t) des ausreichend lang zum Leitendhalten des Triac während Triac (15) ein Widerstand (46) geschaltet ist. der gesamten Periode der umgekehrten Polarität der

5. Elektronischer Schalter nach Anspruch 3 oder4, 45 Wechselspannung bemessen ist.

dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Last Hierbei wirkt der den Kondensator enthaltende

(20) die Reihenschaltung eines Widerstandes (42) Zeitkonstantenkreis mit dem Triac derart zusammen, mit einer dritten Diode (40) liegt, deren Verbin- daß sich der Kondensator während einer Halbwelle dungspunkt (41) mit dem Verbindungspunkt (23) bestimmter — beispielsweise positiver — Polarität der des zweiten Widerstandes (22) mit der zweiten 50 Wechselspannung auflädt und während der folgenden Diode (24) verbunden ist. Halbwelle der Wechselspannung über die Steuerelek

trode des Triac entlädt, so daß dieses in der Nähe des Nulldurchgangs der Wechselspannung erneut gezündet

wird und nun in umgekehrter Richtung leitet. Solange

55 kein Abschaltbefehl gegeben wird, wiederholen sich diese Vorgänge, und der Verbraucher wird ununter-

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische brechen gespeist. Zum Abschalten wird der zweite Schalteinrichtung mit einem Triac in Reihe mit einer steuerbare Halbleiterschalter, z.B. ein steuerbarer zu schaltenden Last und einer Wechselspannungs- Siliziumgleichrichter, dem Zeitkonstantenkreis derart quelle. 60 parallel geschaltet, daß bei Anlegen eines Steuersignals

Eine solche elektronische Schalteinrichtung ist be- an seine Steuerelektrode und bei positiver Anode des kannt (Zeitschrift »Control Engineering« vom März Triac bezüglich seiner Kathode der gesteuerte HaIb-1964, S. 75/76, insbesondere F i g. 2A). leiterschalter zündet und dabei den Verbraucher kurz-

Unter einem Triac versteht man einen steuerbaren schließt sowie eine weitere Aufladung des Konden-Halbleiterschalter_t welcher in der Lage ist, in beiden 65 sators des Zeitkonstantenkreises verhindert. Dadurch Richtungen zu leiten. Legt man an die Steuerelektrode entsteht für die Steuerelektrode des Triac keine Zündeines solchen Triac eine bestimmte Spannung, so bleibt spannung mehr, so daß dieses ausgeschaltet bleibt, der Triac für eine angelegte Wechselspannung so lange Entfernt man das Steuersignal wieder von der Steuer-