DE1763949C3 - Schaltverstärker für einen Wechsel strom Lastkreis - Google Patents

Description

7. Schaltverstärker nach Anspruch 1, dadurch gleichstromgespeister Transistor vorgeschaltet, dem gekennzeichnet, daß der Schaltverstärker als die Steuerspannung zugeführt wird (USA.-Patent-Baustein ausgebildet ist und als Träger für die 50 schrift 3 310 714).

elektrischen Bauelemente eine gedruckte Schal- Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, diesen tung dient, auf welcher eine Brückenhälfte (11, hohen technischen Aufwand für den Schaltverstärker 12) mit Klemmen (17, 18. 19. 20) für die äußere entscheidend herabzusetzen, so daß der Einsatz der-Anschaltung der anderen Brückenhälfte (9. 10) artiger Schaltverstärker wesentlich wirtschaftlicher angeordnet ist, und ferner zwei weitere Klemmen 55 wird. Gegenüber den bekannten Schaltverstärkern er-(23, 24) für die äußere Anschaltung einer spei- gibt sich durch den geringen technischen Aufwand fersenden Wechselstromquelle (6) vorgesehen sind, ner eine erhöhte Betriebssicherheit. Ferner sollen daß zwischen diesen beiden Klemmen (23, 24) Elektrolytkondensatoren vermieden werden, um die der Kontakt (S) des Relais (3) und zwei weitere für das Gerät zulässige Umgebungstemperatur vergrÖ-Klemmen (21, 22) für den äußeren Anschluß des 60 ßern zu können, was z.B. Voraussetzung für die Anjeweiligen Wechselstrom-Lastwiderstandes (4) Wendung in Elektroherden ist.
angeordnet sind und daß die Brückenschaltung Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-(l),,der steuerbare Halbleitergleichrichter (2) und löst, daß das Halbleiterelement ein als Meß- und das Relais (3), dem eine Freilaufdiode (15) paral- Schaltglied arbeitender, die Meßdiagonale der Brüklelgeschaltet ist, über einen Gleichrichter (7) an 65 kenschaltung abtastender Halbleitergleichrichter ist den Klemmen (23, 24) für die speisende Wechsel- und daß dieser, das Relais und oie Brückenschaltung stromquelle (6) liegen. unmittelbar von der Lastspannung gespeist sind.

Zweckdienliche Weiterbildungen des Erfindungs-

gegenstandes sind den Unteransprüchcn zu entnehmen.

Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführunasbeispiels näher erläutert. "

Der erfindungsgemäße Schaltverstärker umfaßt lediglich eine aus vier Widerständen 9. 10. 11. 12 bestehende Briickenschaltung 1, einen steuerbaren Halbleitergleichrichter 2. welcher vorzusweise als Thyristor ausgebildet ist, und ein Relais 3. Der Wechselstrom-Lastkreis ist durch einen Lastwiderstand 4 angedeutet, welcher über einen Kontakt 5 des Relais 3 an einer Wcchsclstromquelle 6 liegt. Aus der Wechselspannung der Quelle 6 wird mittels eines Gleichrichters? eine Impulsspannung abgeleitet, die über einen Vorwiderstand 8 die Briickenschaltung 1 und den steuerbaren Halbleitergleichrichter 2 sowie das Relais 3 speist. Die Steuerelektrode 13 des steuerbaren Halbleitergleichrichters 2 liegt am Punkt A der Meßdiagonale, während die Kathode 14 des steuerbaren Halbleitergleichrichters 2 ar.. Punkt B der Meßdiagt.nale liegt. Dem Relais 3 ist eine Freilaufdiode 15 parallelgeschaltet.

Der Schaltverstärker umfaßt nur die in der Umrandung 16 dargestellten Bauelemente. Der jeweilige Maßwertaufnehmer (Temperaturfühler) 9 wird über Klemmen 17, 18 und der Sollwertsteller 10 über Klemmen 19, 20 an die Brückenschaltung 1 geschaltet. Der Lastwiderstand 4 wird an die Klemmen 21. 22 und die Speisequelle 6 an die Klemmen 23, 2 * angeschlossen. Die in der Umrandung 16 liegenden Rauelemente können als sogenannte gedruckte Schaltung ausgebildet sein, die lediglich sieben elektrische Bauelemente aufzunehmen hat. Ein derartiger Baustein ist bei äußerer Anschaltung der Schaltelemente 9, 10, 4 und der Quelle 6 voll funktionsfähig.

Offe-sichtlich ist der technische Aufwand für einen innerhalb der Umrandung 16 dargestellten Schaltverstärker äußerst gering. Dioden oder Kondensatoren hoher Kapazität werden nicht benötigt.

Im Ausführungsbeispiel sei angenommen, daß der in der Umrandung 16 dargestellte Schaltverstärker Teil eines Temperaturreglers sei, wobei der Lastwiderstand 4 ein Heizkörper und der Meßwertaufnehmer ein in dessen Nähe angeordneter temperaturabhängiger Halbleiterwiderstand, d. h. ein Temperaturfühler, sei. Bei Erwärmung des Temperaturfühlers 9 (hier ein NTC-Widerstand) steigt das Potential des Punktes A der Brückenschaltung 1, und wenn das Brückengleichgewicht überschritten wird und am steuerbaren Halbleitergleichrichter 2 eine positive Halbwellenspannung liegt, zündet dieser Gleichrichter. Das Relais 3 spricht an und der Ruhekontakt 5 des Relais öffnet. Damit wird der Lastwiderstand 4 von der Wechselstromquelle 6 abgeschaltet. Durch die Freilaufdiode 15 hält sich das Relais 3 auch über die folgende negative Halbwelle, die auf die Brükkenschaltung 1 und den steuerbaren Halbleitergleichrichter 2 keinen Einfluß hat. In der folgenden positiven Halbwelle erfolgt wieder eine Abtastung der Brückenpunkte A, B durch den steuerbaren Halbleitergleichrichter 2, und wenn der Punkt A positiver als der Punkt B ist, zündet der steuerbare Halbleitergleichrichter 2 wiederum beim Höchstwert der positiven Halbwelle. Der Kontakt 5 des Relais 3 bleibt damit weiter geöffnet und der Lastwiderstand 4 abgeschaltet. In jeder positiven Halbwelle der Wechselspannung der Quelle 6 wird die Brückendiaeona-Ie A. B der Brückenschaltung 1 also abgetastet.

Der Temperaturfühler 9 wird abkühlen und damit der Punkt Λ der Brückendiagonale langsam negativer werden. Unterschreitet das Potential zwischen Punkt Λ und Punkt B die für den Thyristor erforderliche Zündspannung, so wird auch bei Auftreten esi,or positiven Halbwellenspannung an der Anode des steuerbaren I lalbleitergleichrichlers 2 dieser nicht mehr zünden und damit das Relais 3 entregt, so daß der Kontakt? wieder schließt und der Lastwiderstand 4 an die Speisequelle 6 angeschaltet wird.

Mittels des Widerstandes 10 können verschiedene Sollwerte vorgegeben werden, bei denen der Schaltpunkt des Verstärkers liegen soll.

Als Meßwertaufnehmer9 können NTC-. PTC-Widerstände, Fotowiderstand^. Mikrophone, variable Widerstände, Kontakte ·· dgl. verwendet werden. Der technische Aufwand für den Schaltverstärker ist äußerst gering, so daß sich nunmehr elektronische Regelanordnungen erstellen lassen, welche die in den obengenannten Geräten bzw. Anlagen verwendeten Fegelanordnungen mit ihren Nachteilen ersetzen können.

Als Impulsspannung für den Schaltverstärker ist im vorliegenden Fall eine aus der Wechselspannung eines 50 Hz-Netzes abgeleitete positive Halbwellenspannung verwendet. Der Schaltverstärker kann mit Vorteil auch in Anlagen und Geräten verwendet werden, die bei höheren Frequenzen arbeiten.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen in der universellen Anwendbarkeit des Schaltverstärkers. Wie oben erwähnt, können an den Schaltverstärker die verschiedensten Meßwertaufnehmer 9 angeschaltet werden. Mit PTC-Widerständen ergibt sich beispielsweise ein sehr einfacher Füllstandsregler.

Der Schaltverstärker ist ferner als Raumthermostat benutzbar. Eine weitere Anwendung ist als Temperaturregler für die Wassertemperatur bei Wasch- und Geschirrspülmaschinen. Grundsätzlich kann der Schaltverstärker bei allen programmgesteuerten Haushaltsgeräten eingesetzt werden, die eine Mehrzahl von Regelaufgaben zu erfüllen haben. Hierfür wird nur ein einzige Schaltverstärker mit den verschiedenen, den Aufgaben zugeordneten Meßwertaufnehmern benötigt, wobei die Aufgaben nacheinander abgearbeitet werden. Lediglich als Beispiel sei erwähnt, daß in Verbindung mit dem vorhandenen Programmschaltwerk einer Wasch- oder Geschirrspülmaschine mit dem gleichen Schaltverstärker sowohl die Wassertemperaturregelung als auch die Füllstandsregelung durchgeführt wird. Bei Verwendung als reiner Füllstandsregler ist auch die Auswertung des sich durch das Füllmedium (z.B. Wasser) ändernden Übergangswiderstandes zwischen zwei Mctallelektroden denkbar. In diesem Fall ist die hier gegebene Möglichkeit, mit reiner Wechselspannung zu arbeiten, besonders vorteilhaft, weil dann keine »Wanderung« des Elektrodenmaterials zu befürchten ist. Diese Arbeitsweise ergibt sich durch Überbrükken der in F i g. 1 dargestellten Gleichrichterdiode 7. Ist der Meßwertaufnehmer 9 ein Fotowiderstand, so ergeben sich einfache Lichtschranken und Dämmerungsschalter. Bei einem Mikrophon als Meßwertaufnehmer 9 können auf Grund akustischer Ereignisse Schaltvorgänge eingeleitet werden.

Der erfindungsgemäße Schaltverstärker weist wci-

terc Merkmale auf, die bei Einsatz als Temperatur- mente zu verwenden. Derartige Aufnehmer könncr

regler Vorteile bringen. in ihren Abmessungen sehr klein sein und habe·¹ eint

Bei Tcmperaturregclung.mit temperaturabhängigen dementsprechend kleine Zeitkonstante. Sind solchi

Widerständen als Temperaturfühler ist es bekannt, in Aufnehmer in einem Zweipunkt-Regclkreis angeord-

der Nähe des Temperaturfühlers eine diesen hei- S net, deren Regelstrecke ebenfalls eine sehr klcint

/ende Einrichtung anzuordnen, die in den Heizperi- Eigenzeitkonstantc aufweist, so wird ein dcrartigci

öden für das zu heizende Objekt eingeschaltet ist. Die Regelkreis dazu neigen, instabil zu sein. Da die Vcr·

Fühlertcmperatur eilt damit der Temperatur des zu Stärkung eines Zweipunkt-Regelkreises in der Nähe

heizenden Objektes voraus. Ein derartiger thermi- der Regelabweichung Null theoretisch uncncllicli

scher Vorhalt bringt bei richtiger Dimensionierung m groß ist. kann diese Instabilität nur durch Einfiih-

den Vorteil, daß sich auch bei Regelstrecken, die rung einer .Schallhysterese vermieden werden. Um

sehr große Totzeiten und Speicher aufweisen, nur ein ein optimales Regclverhaltcn zu erreichen, muß die

geringes Überschwingen des Istwertes über den Soll- Größe diese Hysterese an die Eigenschaften des vor-

werl ergibt. liegenden Regelkreises (Sollwert-Fühler, Rcgcl-

Bei Temperaturfühlern mit sehr kleinen Abmes- 15 strecke) angepaßt werden.

sungen ist eine Anbringung von besonderen Hcizcle- Der Schaltverstärker kann inei nfachcr Weise an

menten problematisch. Durch den Wärmekontakl die verschiedensten Fühler und Regelstrecken ange-

können sich ferner unter Umständen die Eigenschaf- paßt werden,

ten des Temperaturfühlers ändern. Es sein nochmals auf die Wirkungsweise der bis-

Durch den Schaltverstärker können besondere 20 her beschriebenen Ausbildung eingegangen. Heizelemente zur Realisierung eines thermischen Solange kein Brückcngleichgcwicht herrscht (der Vorhaltes vollständig vermieden werden. Diagonalpunkt A ist negativer als der Diagonal-Dies gelingt dadurch, daß während der Einschalt- punktß), ist der steuerbare Halbleitergleichrichter 2 periode des zu heizenden Lastwiderstandes 4 ab- gelöscht, das Relais 3 entregt und der Kontakt 5 gcwechselnd in einer Halbpcriodc der speisenden 25 schlossen. Der Lastwiderstand 4 wird durch die Wechselspannung des Widerstand des Meßwertauf- Wcchselstromquelle 6 gespeist und erwärmt sich. Der nehmers bzw. Temperaturfühlers 9 gemessen wird Temperaturfühler 9 der Brückenschaltung 1 steht mit (Istwert-Erfassung) und in der folgenden Halbpc- dem als Heizkörper ausgebildeten Lastwiderstand 4 riode den Temperaturfühler ein Heizstrom durch- in Wärmekontakt und wird somit ebenfalls aufgefließt. 30 heizt. Hat der Temperaturfühler 9 einen solchen

Die Abtastung dtr Mcßdiaeonalc/l.ß durch den Widerstandsweri erreicht, daß Brückcngieichgewicht

steuerbaren Halbleitergleichrichter2 erfolgt entspre- auftritt, so zündet der steuerbare Halbleitergleich-

chend der Polung der Gleichrichtcrdiodc7 stets richtcr 2. das Relais 3 wird erregt und der Kontakt 5

dann, wenn eine positive Halbwcllenspannung vor- öffnet. Die Wechselstromquelle6 ist damit vom l.ast-

licgt. Gemäß der weiteren Ausbildung wird der Tem- 35 widerstand 4 abgeschaltet, so daß die Aufhcizunu

pcraturtühler 9 immer in den negativen Halbwellen desselben aufhört. Diese Ausbildung hat von Natur

der Wechsclsiromquellc von einem Heizstrom durch- aus keine Schalthystcrcse.

flössen. Wie ersichtlich, ist der Punkt 25 der Brük- Eine definierte Hysterese wird dadurch erreicht, kcnschaltung über eine Diode 26 und einen cinstcll- Ja3 in Reihe mit dem Widerstand 12 der Brückenbaren Widerstand 27 an die Leitung 28 geführt, die 40 schaltung 1 ein Hilfswiderstand 29 liegt, der ferne! wiederum über den Kontakts des Relais3 an die auch in Reihe mit dem Lastwiderstand4 geschaltet Wechselstromquelle 6 führt. ist.

Die Mcßdiagonale/l.ß der Briickcnschaltiing 1 Die Wirkungsweise dieser Ausbildung ist folgende: wird unabhängig von der Stellung des Kontaktes 5 In der Einschaltphasc des Lastwiderstandes 4 wiril (Ein oder Aus) stets während der positiven Halb- 45 auch der Hilfswiderstand 29 von einem Strom durchwelle der Wechselspannung der Speisequelle 6 vom flössen, und es tritt an diesem Widerstand 29 ein steuerbaren Halbleitergleichrichter 2 abgetastet. Bei Spannungsabfall auf, der in die Brückenhälfte 11. 12 geschlossenem Kontakt 5 ist die Diode 26 dann gc- eingeschleift ist. Hat der Temperaturfühler 9 uif sperrt. Diese wird jedoch leitend in der jeweils fol- Grund seiner Aufheizung den durch den Solhvertstclgenden negativen Halbwelle, so daß dann ein Strom 5° ler-Widerstand 10 vorgegebenen Widerstandswert erdurch den Temperaturfühler 9 fließt, welcher diesen reicht, so herrscht Brückengleichgewicht und der aufheizt. Da während der negativen Halbwelle die steuerbare Halbleitergleichrichter 2 zündet, das Re-GIcichrichterdiode 7 gesperrt ist, erfolgt in dieser Iais3 wird erregt und der Kontakt 5 öffnet. Damit Halbwelle keine Abtastung der Meßdiagonale A. B. wird der Strom durch den Lastwiderstand 4 und den Mit dem veränderbaren Widerstand 27 kann der 55 Hilfswiderstand 29 unterbrochen. Der Punkt B der Grad der Rückführung eingestellt werden. Wird der Brückenschaltung 1 wird potentialmäßig um den bis-Kontakt5 geöffnet, (der Temperaturfühler 9 hat die herigen, am Hilfswiderstand 29 auftretenden Span-Solltcmpcratur erreicht, jedoch noch nicht der zu nungsabfall erniedrigt. Das bedeutet, daß der Widcrhei/ende Lastwiderstand 4). so ist auch die Diode 26 standswert des Temperaturfühlers 9 während der Abvon der Spciscquclle 6 abgeschaltet. Damit durch- So kühlung desselben sich wesentlich mehr verändern fließt den Temperaturfühler 9 auch kein Strom mehr, muß als bisher, um zu erreichen, daß der Punkt A der ihn zusätzlich beheizt. . der Brückenschaltung 1 potentialmäßig unter den

Durch die universelle Anwendbarkeit des Schalt- Punkt B sinkt. Auf diese Weise kann durch richtige

Verstärkers können Meßwertaufnehmer mit den un- Dimensionierung des HilfsWiderstandes 29 eine beterschiedlichen Zeitkonstanten an diesen angcschlos- 65 liebig große Temperaturdifferenz als Schahhysteresc

sen werden. eingestellt werden.

Bei Temperaturreglern ist es bekannt, als Meß- Wie angedeutet, ist der Hilfswiderstand 29 cin-

wertaufnehmer temperaturabhängige Halbleiterele- siellbar ausgebildet, so daß eine Anpassung an belic-

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bige Meßwertaufnehmer bzw. Temperaturfühler 9 und Lastwiderstände 4 bei optimalen Regelkreiseigenschaften möglich ist.

Oft besteht die Forderung, für den Meßwertaufnehmer eine Potentialtrennung vom Netz aus Gründen der Berührungssicherheit durchzuführen. Da die.«". Schaltung nicht mit Gleichspannung, sondern mit Impuls- oder Wechselspannung betrieben wird, ist diese Aufgabe leicht lösbar. Erfindungsgemäß wird eine Potentialtrennung dadurch erreicht, daß zwischen Meßwertaufnehmer bzw. Temperaturfühler 9 und Meßbrücke (Anschlüsse 17, 18) ein Übertrager 30 geschaltet ist. Dieser Übertrager kann sehr viel kleiner als ein Netztransformator für den gesamten Schaltverstärker sein, da er auf sehr niedrigem Leistungsniveau betrieben wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

.. , p;e Erfinduii" bezieht sich auf einen Schaltverstär- Patentanspruche: J^. ^ WechSL.|strüm.Lastkreis, bei welchen,

1. Schaltverstärker für einen Wechselstrom- der Eiimansskreis eine Brückenschaltung ist und ,!,·- Lastkreis, bei welchem der Eingangskreis eine ren Meßdiaaonale den Steuerkreis fur ein steuerbares Brückenschaliung ist und deren Meßdiagonale 5 Halbleiterelement bildet, in dessen Ausgangskreis em den Steuerkreis für ein steuerbares Halbleiterele- Relais liegt.

ment bildet, in (lessen Aus«aiiaskreis ein Relais Derartige Schaltverstärker fangen an, bei Häuslich, dadurch s. e k e n"n z"e i c h η e t. daß haiisaeräten. für Wohnraumheizungen, in der Autodas Halbleiterelement ein als Meß- und Schalt- elektronik u. dul. Gebieten Fuß zu fassen. Die Schaltglied arbeitender, die Meßdiagonale (A, B) der io verstärker sind"dabei Teil einer elektronischen Regel-Brückenschaltuna (1) abtastender Halbleiter- anordnung So ist beispielsweise eine Regelanordgleichrichter (2)"ί;;ί und daß dieser, das Relais (3) nung zur "konstanthaltung der Laugentemperatur in und die Brückenschaliung (1) unmittelbar von Waschmaschinen bekanntgeworden, bei welcher ein der Lastspannung (6) gespeist sind. zweistufiger Transistorverstärker zum Steuern eines

2. Schaltverstärker nach Anspruch 1. dadurch 15 Relar verwendet wird. Dieser zweistufige Schaltvergckennzeiehnet. daß vom zu regelnden Last- stärker benötigt eine eigene Gleichstromversorgum; widerstand (4) eine Spannung unmittelbar in die (Zeitschrift »Funkschau« 1967, Heft 7, S. 192). Es ist Brückenschaltung (l)eingeschleift ist. ferner eine Regelanordnung für eine Wohnraumhei-

3. Schaltverstärker nach Anspruch 2, dadurch zung bekannt, "welche die Wärmeabgabe von Heiygekennzeichnet, j ,ß der Laststromkreis aus einer 20 körpern regelt. Auch bei dieser Anordnung wird ein Reihenschaltung eines Lastwiderstandes (4) mit zweistufiger Schaltverstärker verwendet, der aus zwei einem HilfsWiderstand (29) und einem Schaltkon- Transistoren besteht, die von einer Gleichspannung takt (5) des Relais (3) besteht und der am Hilfs- gespeist werden, welche mittels eines besonderen widerstand (29) auftretende Spannungsabfall in Netzgerätes erzeugt ist (Zeitschrift »Funkschau«, eine Brückenhälfte (11, 12) eingeschleift ist. 25 1967", Heft 21. S. 678).

4. Schaltverstärker nach Ansprich I. dadurch Insbesondere bei Haushaltgeräten ist der Kostengekennzeichnet, daß bei Verwendung als Tempe- aufwand derartiger Anrodnungen für deren Einsatz raturregler während der Einschaltperiode des zu entscheidend.

heizenden Lastwiderstandes (4) abwechselnd in Der technische Aufwand der bekannten Anord-

einer Halbperiode der speisenden Wechselspan- 30 niingen besteht aus zwei Transistoren mit den für je-

nung der Widerstand des Temperaturfühlers (9) den" Transistor notwenigen Widerständen, sowie

gemessen wird (Istwert-Erfassung) .,nd in der fol- Z-Dioden oder Koppelkondensatoren und dem Netz-

genden Halbperiode den Temperaturfühler (9) teil, welches die vorhandene Wechselspannung in

ein Heizstrom durchfließt. eine Gleichspannung entsprechender Größe für die

5. Schaltverstärker nach Anspruch 4, dadurch 35 Transistoren umformt. Zur Siebung dieser Gleichgekennzeichnet, daß die Brückenschaltung (1) spannung müssen Kondensatoren großer Kapazität und der steuerbare Halbleitergleichrichter (2) verwendet ,werden, die oft den Einsatz des Gerätes über einen Gleichrichter (7) bestimmter Polung bei hohen Umgebungstemperaturen verhindern.

und der Temperaturfühler (9) über einen Kontakt Es ist auch eine sprunghaft steuernde Transistor-(5) abschaltbar über ejnen weiteren Gleichrichter 40 schaltung mit zwei rückgekoppelten Transistoren be-(26) entgegengesetzter Polung an der Lastspan- kannt. bei der als Betriebsspannung eine Gleichspannung liegen. nung verwendet wird (deutsche Auslegeschrift

6. Schaltverstärker nach Anspruch 1 bis 5, da- 1 151 054). Ferner ist eine Schalteinrichtung mit durch gekennzeichnet, daß zwischen Temperatur- einem steuerbaren Halbleitergleichrichter bekannt, fühler (9) und Brückenschaltung (1) /um Zwecke 45 der wechselstromgespeist ist und in dessen Ausgangsder Berührungssicherheit des Temperaturfühlers kreis ein Relais angeordnet ist. Der Gleichrichter ein Übertrager geschaltet ist. wirkt nur als Schalter. Dem Gleichrichter ist ein