DE1930135C3 - Schaltungsanordnung zur steuerbaren Wechselstromversorgung eines Verbrauchers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur steuerbaren Wechselstromversorgung eines Verbrauchers mittels eines triggerbaren elektronischen Leistungsschalters und einer Triggerimpulse erzeugenden Einrichtung, letztere enthaltend einen Taktimpulsgenerator, der in Nulldurchgängen der Wechselspannung Impulse erzeugt, ferner enthaltend einen Oszillator, dessen Frequenz zwecks Steuerung der dem Verbraucher zugeführten Leistung veränderbar ist, und eine Vorrichtung zur Verarbeitung der beiden Impulsreihen derart, daß der Verbraucher mit vollen Wechselspannungsperioden

ίο während Zeitabschnitten beaufschlagt wird, zwischen denen in Abhängigkeit von der Frequenz des Oszillators mehr oder weniger große Pausen liegen.

Es ist ganz allgemein ein Leistungsschalter in Gebrauch, den man sich aus zwei Thyristoren zu sammengesetzt denken kann, welche Rückseite an Rückseite zusammengesetzt sind und sich eine einzige Zündelektrode teilen. Der Leistungsschalter, bekannt als ein Triac, leitet jedesmal eine Halbperiode, wenn ein Zündimpuls an die Steuerelektrode gelangt Der

ao Triac hat den Vorteil, daß er eine einzige Vorrichtung darstellt, die statt des Parallelschaltkreises verwendbar ist, der nötig ist, wenn ein Paar von Thyristoren oder ähnlichen Elementen in Parallelschaltung verwendet wird, um Wechselstrom zu leiten.

as Bei einer bekannten (britische Patentschrift 1 089 90S, F i g. 2) Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art, bei der als triggerbarer elektronischer Leistungsschalter zwei antiparallel geschaltete Thyristoren verwendet sind, gibt der Taktimpulsgenerator nur bei jedem zweiten Nulldurchgang der Wechselspannung einen Impuls ab. Um den Verbraucher trotzdem mit vollen Wechselspannungsperioden beaufschlagen zu können, sind die zwei antiparallel geschalteten Gleichrichter über Schaltelemente der art verkoppelt, daß dann, wenn die Durchlässigkeit des von außen angesteuerten Gleichrichters beendet ist, dieser Gleichrichter den anderen Gleichrichter auf Durchlässigkeit steuert. Bei dieser Schaltungsanordnung sind also zwei gesteuerte Gleichrichter

vorgesehen, die recht aufwendig sind und über besondere Schaltelemente verkoppelt werden müssen.

Es ist auch eine Schaltungsanordnung bekannt

(britische Patentschrift 1089 905, Fig. 5), die sich von der Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art hinsichtlich der Vorrichtung zur Verarbeitung der beiden Impulsreihen unterscheidet. Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung weist der triggerbare', elektronische Leistungsschalter zwei antiparallel geschaltete Thyristoren auf, die jeweils eine

5» halbe Wechselspannungsperiode an den Verbraucher abgeben können, wenn bei der einen Periodenhälfte der eine Thyristor und bei der anderen Periodenhälfte der andere Thyristor angesteuert ist. Die Vorrichtung zur Verarbeitung der beiden Impulsreihen gibt aber wegen der Veränderbarkeit der Frequenz des Oszillators nicht exakt bei jeder Halbperiode einen Ansteuerimpuls ab, so daß der Verbraucher letzlich von einer Folge von halben Wechselspannungsperioden beaufschlagt wird, zwischen denen in Abhängigkeit von der Frequenz des Oszillators mehr oder weniger große Pausen liegen. Es ist also bei einer bestimmten Frequenz des Oszillators möglich, daß beständig nur Halbperioden über einen der Thyristoren dem Verbraucher zugeführt werden.

Unter bestimmten Umständen ist es nun erwünscht, wenn der Verbraucher nur mit vollen Wechselspannungsperioden beaufschlagt wird und die mehr oder weniger großen Pausen zwischen vollen Wechsel-

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Spannungsperioden liegen. Zum Beispiel wird in raturkontrollierten Verfahrens mit einem Heizkörper Großbritannien durch entsprechende Vorschriften 11 und einem Temperaturfühler 12 versehen. Der verlangt, daß Verbraucher ab einer bestimmten Heizkörper 11 wird mit vollständige Perioden aufGröße nur mit vollen Wechselspannungsperioden weisendem Wechselstrom über einen Triac 13 gebeaufschlagt werden. 5 speist, der eine Steuerelektrode bzw. ein Gitter aufAufgabe der Erfindung ist es nun, eine Schaltungs- weist, dem Triggersignale über eine Leitung 14 zuanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, führbar sind. Die Leistungsspeisung des Triac erfolgt bei welcher der Aufwand im Leistungsteil durch von einer Speisung 15 mit 50 Hz. Die Triggersignale Einsatz eines Triac an Stelle zweier antiparallel sind mit dem Beginn der Halbperioden der Leistungsgeschalteter Thyristoren verringert ist und eine io speisung synchronisiert.

Triggerimpulse erzeugende Einrichtung vorgesehen Die Temperatur des Verbrauchers, d. h. der Ver-

ISt, die zur Triggerung des Triac geeignet ist fahrensstufe 16, wird festgestellt von dem Tempe-

Die Erfindung besteht bei einer Schaltungsanord- raturfühler 12 und an einen Wandler 16 übermittelt, nung der eingangs genannten Art darin, daß der Der Wandler 16 berechnet den Temperaturbedarf triggerbare elektronische L eistungsschalter ein Triac 15 der Stufe ΙΘ und erzeugt ein entsprechendes Gleichist, daß der Taktimpulsgeneraior derart ausgebildet Stromsignal, das einer Leitung 17 zugeführt wird ist, daß er in jedem Nulldurchgang der Wechsel- und mit dem Temperaturbedarf der Stufe schwankt, spannung einen Impuls abgibt, und daß ein Schiebe- Der Wandler 16 kann einen Gleichstromverstärker register mit wenigstens drei bistabilen Elementen umfassen. Der Wandler 16 kann durch eine Schaltvorgesehen ist, den bistabilen Elementen parallel die ao einrichtung ersetzt werden, die eine Dreipunkt-Impulse des Taktimpulsgenerators als Taktimpulse steuerung aufweist und in geeigneter Weise ange- und dem ersten bistabilen Element die Impulse des ordnet ist.

Oszillators als Schiebeimpulse zugeführt sind sowie Das schwankende Gleichstromsignal am Ausgang

die Ausgänge des zweiten und dritten bistabilen des Wandlers 16 wird durch einen Widerstand 18' Elementes zur Abgabe von Triggerimpulsen für den 25 geführt und mit einem Rechtecksignal gemischt, das Triac parallel arbeitend vorgesehen sind. man mittels eines Rückkopplungskreises 100 erhält,

Der Oszillator kann eine Folge von Impulsen bei welches mit einem Steuerkreis, im folgenden Oszilder halben Pulsfolgefrequenz des Taktimpulsgenera- lator 18 genannt, variabler Frequenz verbunden ist. tors liefern, wenn der Energiebedarf des Verbrau- Der Rückkopplungskreis 100 des Oszillators ent-

chers maximal ist Es ist denkbar, jedoch höchst 30 hält eine Teile-durch-Zwei-Einheit 26, welche dem unwahrscheinlich, daß bei dieser Situation der Eingang des Oszillators eine Rechteckschwingung Oszillator eine Folge von Impulsen bei 50 Hz liefert, zuführt, deren Größe von einem Regelwiderstand 27 did genau synchron mit entsprechenden nacheinander abhängig ist. Der Gleichstrom schwankender Größe, folgenden Taktimpulsen sind. Die Schaltungsanord- der von dem Wandler 16 an den Widerstand 18' nung würde dann zumindest kurze Zeit nicht korrekt 35 abgegeben wird, lädt hinter dem Widerstand 18' arbeiten. einen Kondensator 19 auf, der am Eingang des

Um gegen diese unwahrscheinliche Eventualität Oszillators vorgesehen ist. Das wechselnde Ausmaß, gesichert zu sein, ist vorzugsweise vorgesehen, daß bis zu welchem der Kondensator 19 geladen ist, der Ausgang des Oszillators mit dessen Eingang reflektiert auf die Rechteckwelle, die über den verbunden ist über einen Rückkopplungskreis, der 40 Rückkopplungskreis 100 zurückgeführt wird. Am aus einer Teile-durch-Zwei-Einheit und einem dazu Eingang des Oszillators 18 liegt somit ein Rechteckin Serie liegenden Regelwirlerstand besteht, und an signal, das in gleicher Weise positiv und negativ d^n Eingang des Oszillators außerdem ein analoges bezüglich eines bestimmten Pegels ist, der seinerseits Steuersignal über einen Widerstand angelegt ist. von dem Gleichstrom-Ausgangspegel des Wandlers

Jeder Ausgangsimpuls erzeugt dann einen, kleinen 45 16 abhängig ist.

Fehler in dem Eingangssignal, der unmittelbar korri- Der Oszillator 18 enthält einen oszillierenden

giert wird durch Einstellung derjenigen Zeit, zu Verstärker, der eine stetige Folge von Schiebeimpulwelcher der nächste Impuls gegeben wird. Der Aus- sen mit einer Folgefrequenz erzeugt, die durch den gang des Oszillators kann daher verglichen werden Gleichstrompegel auf der Leitung 17 bestimmt ist. mit zwei stetigen Folgen von Impulsen, deren 50 Daher kann für jeden gegebenen Pegel am Ausgang Impulse einander abwechseln und die entsprechende des Wandlers 16 der Abstand zwischen den Schiebe-Impulsfolgefrequenzen haben, die ein wenig überhalb impulsen als im wesentlichen konstant angesehen und ein wenig unterhalb der halben Folgefrequenz werden. Tatsächlich ist aus Gründen, die später der Taktimpulse liegen, wenn die Belastuno maximal erklärt werden, der Abstand zwischen wechselnden ist. Auf diese Weise sind aufeinanderfolgende Zeit- 55 Schiebeimpulsen in diesem Zustand konstant und spannen zwischen den Impulsen des Oszillators geringfügig verschieden von dem Abstand zwischen immer verschieden und das Gerät kann niemals den verbleibenden Schiebeimpulsen.
Impulse im Gleichlauf mit den Taktimpulsen liefern. Die stetige Folge von Schiebeimpulsen, die von

Die Erfindung wird weiter unten in bezug auf eine dem Oszillator 18 variabler Frequenz abgegeben 50-Hz-Wechselstromversorgung beschrieben. Die 60 wird, wird dem ersten von drei bistabilen Elementen Erfindung ist jedoch auch brauchbar bei elektrischen 20, 21 und 22 zugeführt, die ein Schieberegister Wechselstromversorgungen jeder beliebigen anderen bilden. Jedes der bistabilen Elemente 20, 21 und 22 Frequenz. ist so geschaltet, daß es eine Folge von Taktimpulsen

Die Erfindung wird nun an Hand eines in der mit einer Folgefrequenz von 100 per Sekunde von Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläu- 65 einem Taktimpulsgenerator 23 erhält, der mit den tert. Die Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild einer Nulldurchgängen der 50-Hz-Schwingung der Speierfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. sung 15 synchronisiert ist. Jedes bistabile Element 20,

Ge iv^ß Zeichnung ist eine Stufe 10 eines tempe- 21, 22 ist mit einem bistabilen Multivibrator ver-

sehen, der von einem Zustand Q durch einen Impuls die Gefahr vernachlässigbar, daß zwei Impulse des

des Taktimpulsgenerators 23 in einen Zustand Q Oszillators aufgenommen werden, bevor ein Impuls

gekippt wird und von diesem Zustand 5 durch einen des Taktimpulsgenerators 23 aufgenommen wird.

Schiebeimpuls des Oszillators 18 in den Zustand Q Der Taktimpuls kippt das bistabile Element 20

gekippt wird. Mit anderen Worten, jeder Schiebe- 5 zurück in den Zustand Q, welches sein »leerer«

impuls des Oszillators 18 kippt das bistabile Element Zustand ist, und leitet einen Schiebeimpuls zu dem

20 in einen Zustand, bei welchem der nachfolgende zweiten bistabilen Element 21, das den Schiebe-

Taktimpuls diesen Schiebeimpuls in das Schiebe- impuls speichert, indem es von dem Zustand "Q in

register einschreibt. den Zustand Q kippt. Der nächste Taktimpuls führt

Das Rückkippen des bistabilen Elementes 20 von io das Element 21 in den Zustand φ zurück. Dies ist dem Zustand Q in den Zustand Q durch Empfang verbunden mit der Weiterleitung des Schiebeimpulses eines Takümpulses ist begleitet von der Übergabe zu dem dritten bistabilen Element 22 und der Weiterdes Schiebeimpulse« an das bistabile Element 21, das leitung eines Ausgangssignals zu der Oder-Schaltung von dem Zustand Xi in den Zustand Q gekippt wird. 24. Der Impuls bringt das Element 22 in den Zu-Der nachfolgende Empfang eines zweiten Takt- 15 stand Q, während die Oder-Schaltung 24 den Ausimpulses bringt das bistabile Element 21 zurück in gangsimpuls zu der Und-Schaltung 25 leitet, die, da den Zustand fj und übergibt den Schiebeimpuls an sie an ihrem anderen Eingang den Taktimpuls empdas dritte bistabile Element 22, welches seinerseits fängt, öffnet und so ein Triggersignal auf die Leitung einen Ausgangsimpuls an eine Oder-Schaltung 24 14 gibt, wodurch der Triac 13 geöffnet wird. Dieses sendet. Der vom bistabilen Element 21 abgegebene ao Triggersignal trifft zusammen mit dem Beginn einer Impuls schaltet das bistabile Element 22 in den Halbperiode der 50-Hz-Speisung. Daher wird diese Zustand Q, aus dem es in den Zustand ¹Q zurück- Halbperiode durch den Triac 13 zu dem Heizköiper geschaltet wird, wenn es den nächsten Taktimpuls 11 weitergeleitet.

empfängt, wobei dieses Zurückkippen begleitet ist Der nächste Taktimpuls trifft auf das bistabile

von der Abgabe eines Ausgangsimpulses an die as Element 20, hat aber, da es sich noch im Zustand S

Oder-Schaltung 24. befindet, keine Wirkung. In gleicher Weise ändert

Die Oder-Schaltung 24 liefert die Ausgangsimpulse sich das bistabile Element 21 nicht, da es noch aus ihren beiden Eingangsleitungen zu einer Und- »leer« ist. Die Beaufschlagung des bistabilen Elemen-Schaltung 25, die gleichzeitig mit einem Taktimpuls tes 22 mit dem Taktimpuls bringt dieses dazu, von beaufschlagt wird. So wird die Und-Schaltung 25 30 dem Zustand Q in den Zustand ~Q zu kippen und geöffnet und ein Triggersignal entlang der Leitung 14 gleichzeitig einen Ausgangsimpuls durch die Odergeschickt, welches das Gitter des Triac 13 synchron Schaltung 24 an die Und-Schaltung 25 abzugeben, mit dem Anfang einer Halbperiode der Wechsel- Dieser Ausgangsimpuls wird im Gleichlauf mit einem Stromspeisung steuert. Taktimpuls abgegeben, so daß die Und-Schaltung 25

Die oben beschriebene Schaltung funktioniert wie 35 öffnet und das Steuergitter des Triac 13 mit einem

folgt. Der Oszillator 18 variabler Frequenz erzeugt Triggersignal speist. Demzufolge wird die zweite

eine Folge von Impulsen mit einer Pulsfolgefrequenz, Halbwelle der 50-Hz-Speisung durch den Triac 13

die das Ausgangssignal des Wandlers 16 und auch zu dem Heizkörper 11 geleitet,

eines kleinen Zu&atzsignals wiederspiegelt, das über Man sieht, daß bei jedem Schiebeimpuls des

den Rückkopplungskreis 100 eingespeist wird. Durch 40 Oszillators 18, der in das Schieberegister gegeben

den Rückkopplungskreis 100 wird erreicht, daß jeder wird, · eine vollständige Schwingung der Wechsel-

zweite Impuls der aus dem Oszillator kommenden Spannungsspeisung mittels des Triac 13 zu dem Heiz-

Folge leicht verzögert wird und die übrigen Impulse körper 11 weitergeieitet wird. Auch sind die Zyklen

um genau den gleichen Zeitabschnitt vorgeschoben der Leitfähigkeit des Triac automatisch so verteilt,

werden. 45 daß die Dauer der »Ein«- und der »Aus«-Zeit des

Die Folge der Impulse von dem Oszillator ist so, Triac im Rahmen des mit digitalen Steuermethoden

daß dann, wenn der Wandler 16 den Energiebedarf Möglichen minimisiert ist. Die Anordnung ist so,

der Stufe 10 als den vom Heizkörper 11 maximal daß es nicht weniger als eine einzige vollständige

lieferbaren angibt, eine Impulsfolge mit 50 Impulsen »Ein«-Periode und nicht weniger als eine halbe

pro Sekunde von dem Oszillator 18 geliefert wird, 50 »Aus«-Periode des Triac gibt. Je größer der Tem-

Diese Impulse treten nicht mit gleichen Zeitabständen peraturbedarf ist, desto größer ist die Energie, welche

auf, da jeder zweite Impuls leicht verzögert ist, durch den Triac 13 geleitet wird. Aber das Anwach-

während die verbleibenden leicht vorgeschoben sind sen des Hauptenergiepegels, mit dem der Heizkörper

mittels des Rückkopplungsnetzkreises, wie das oben 11 gespeist wird, wird erreicht, indem die Abstände beschrieben ist. Bei einem Energiebedarf, der geringer 55 zwischen den Leitfähigkeitszeiten des Triac 13 im

ist als der maximale Energiebedarf, wird eine ent- wesentlichen alle gleich stark verkürzt werden,

sprechende Verminderung der durchschnittlichen Es besteht keine Gefahr, daß der Oszillator 18

Pulsfolgefrequenz des Oszillators 18 erreicht. der ein Steuerkreis variabler Frequenz ist, Impuls«

Das erste bistabile Element 20 des Schieberegisters in dem gleichen Maße wie der Taktimpulsgenerato:

wird mit jedem der Impulse des Oszillators 18 be- 60 23 erzeugt, da dessen Ausgangsgröße wirksam au

aufschlagt. Dieses bistabile Element 20 ändert seinen zwei Impulsfolgen zusammengesetzt wird, derei

Zustand ~Q in den Zustand Q. Es kippt in seinen Impulse untereinander abwechseln und von den©

Zustand δ zurück, wenn es von einem Taktimpuls eine leicht verzögert ist im Hinblick auf denjenige des Taktimpuls generators 23 beaufschlagt wird, der Impuls ausgang, der der maximalen Belastung eni eine Pulsfolgefrequenz von 100 Impulsen pro Se- 65 spricht, während die andere um exakt das gleich

künde hat. Da die Pulsfolgefrequenz des Taktimpuls- Ausmaß vorgeschoben ist. Dies hat keine Wirkun generators 23 niemals geringer ist als die durch- auf die Energieversorgung der Stufe durch de schnittliche Pulsfolgefrequenz des Oszillators 18, ist Heizkörper 11, stellt jedoch sicher, daß die Impuls

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niemals mit der Folge von gleichmäßige Abstände aufweisenden Impulsen des Taktimpulsgenerators 23 gleichlaufen können.

66-73°/» der Leistung werden in der Weise geliefert, daß der Triac für eine vollständige Periode leitend und für die nachfolgende Halbperiode nichtleitend ist. Dies ereignet sich in 30 Millisekunden bei einer Versorgungsfrequcnz von 50 Hz. Wenn 50¹Vo der Leistung erwünscht sind, ist der Triac für eine vollständige Periode leitend und für eine vollständige Periode nichtleitend, und dies passiert in 40 Millisekunden. In gleicher Weise wird für die Lieferung von 33'/3^o/o der vollen Leistung der Triac so gesteuert, daß er für eine vollständige Periode leitend und in den beiden nachfolgenden vollständigen Perioden nichtleitend ist. Dies findet in einer Gesamtzeit von 60 Millisekunden statt.

Die Zündfolge des Triac, die sich für die Abgabe einer bestimmten Leistung wiederholt, tritt nicht notwendigerweise während der 50-Hz-Periode auf. Zum Beispiel liefert der Triac 98°/o Leistung, wenn er bei 49 von 50 Perioden leitfähig ist, was bei einer Schiebeimpulsfrequenz von 49 Impulsen pro Sekunde der Fall ist. Wenn die Schiebeimpulsfrequenz leicht, z. B. auf 49Va Hz, angewachsen ist, würde der Triac reagieren, indem er während 99 von 100 Perioden leitfähig ist, und die Zündfolge würde sich dann während Zwei-Sekunden-Abständen wiederholen, d. h. während eines Abstandes, der hundertmal so lang ist wie eine 50-Hz-Periodc. Hieraus ersieht man, daß die wiederholten Leitfähigkeitsperioden des Triac unabhängig von der Versorgungsfrequenz sind und nur eine Funktion der mathematischen Kombinationen des Verhältnisses der Erzeugung von Schicbeimpulsen verglichen mit den Taktimpulsen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 409 610/32

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur steuerbaren Wechselstromversorgung eines Verbrauchers mittels eines triggerbaren elektronischen Leistungsschalters und einer Triggerimpulse erzeugenden Einrichtung, letztere enthaltend einen Taktimpulsgenerator, der in Nulldurchgängen der Wechselspannung Impulse erzeugt, ferner enthaltend einen Oszillator, dessen Frequenz zwecks Steuerung der dem Verbraucher zugefuhrten Leistung veränderbar ist, und eine Vorrichtung zur Verarbeitung der beiden Impulsreihen derart, daß der Verbraucher mit voüen Wechselspannungsperioden während Zeitabschnitten beaufschlagt wird, zwischen denen in Abhängigkeit von der Frequenz des Oszillators mehr oder weniger große Pausen liegen, dadurch gekennzeichnet, daß der triggerbare elektronische Leistungsschalter ein Triac (13) ist, daß der Taktimpulsgenerator (23) derart ausgebildet ist, daß er in jedem Nulldurchgang der Wechselspannung einen Impuls abgibt, und daß ein Schieberegister mit wenigstens drei bistabilen Elementen (20, 21, 22) vorgesehen ist, den bistabilen Elementen (20, 21, 22) parallel die Impulse des Takümpulsgenerators (23) als Taktimpulse und dem ersten bistabilen Element (20) die Impulse des Oszillators (18) als Schiebeimpulse zugeführt sind sowie die Ausgänge des zweiten und dritten bistabilen Elementes (21, 22) zur Abgabe von Triggerimpulsen für den Triac (13) parallel arbeitend vorgesehen sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Und-Schaltung (25) vorgesehen ist, deren Ausgang so geschaltet ist, daß dem Triac Triggersignale zugeführt werden, und die zwei Eingänge aufweist, von denen einer an den Ausgang des Taktimpulsgenerators (23) angeschlossen ist und der andere mit dem Ausgang einer Oder-Schaltung (24) verbunden ist, die ihrerseits mit ihren Eingängen an die Ausgänge des zweiten und dritten bistabilen Elementes (21, 22) angeschlossen ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Oszillators (18) mit dessen Eingang verbunden ist über einen Rückkopplungskreis (100), der aus einer Teile-durch-Zwei-Einheit (26) und einem dazu in Serie liegenden Restwiderstand (27) besteht, und an den Eingang des OszUlators (18) außerdem ein analoges Steuersignal über einen Widerstand (18') angelegt ist

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Oszillators (18) von ■ einem analogen Temperatursignal eines Temperaturfühlers (12) gesteuert ist