DE19719786A1 - Zündschaltung eines Triacs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündschaltung eines Triacs, der eine induktive Last steuert, beispielsweise einen Motor für Haushaltsgeräte, wie Waschmaschinen oder dergleichen, nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Induktive Lasten, insbesondere Wäschetrommelmotoren, werden gewöhnlich durch einen Triac angesteuert. Nach der EP 0 695 982 A1 ist zur Ansteuerung eine Steuerelektronik mit einem Mikroprozessor vorgesehen, wobei der Mikroprozes­ sor auch der Steuerung weiterer Funktionen der Waschmaschine oder des Wäsche­ trockners dient. Für die Versorgung der Steuerelektronik und des Mikroprozes­ sors, bzw. Mikrocontrollers, ist ein Netzteil erforderlich.

Die Regelung, insbesondere Drehzahlregelung der induktiven Last, erfolgt ge­ wöhnlich durch Phasenanschnittsteuerung des Triacs, wobei der Zündzeitpunkt (Zündwinkel) auf die Phasenlage der Netzspannung bezogen ist. Wegen der bei induktiven Lasten auftretenden Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung kann es dazu kommen, daß der von einem ersten Zündimpuls gezündete Triac im nacheilenden Stromnulldurchgang wieder erlischt, weil der Mindest-Haltestrom des Triacs noch nicht erreicht wird. Dies ist unerwünscht, weil dadurch die Ansteue­ rung der induktiven Last gestört wird.

Um das unerwünschte Erlöschen, also Sperren, des Triacs zu beheben, wird nach dem Stand der Technik eine Serie von Nachtriggerimpulsen erzeugt, wobei die Nachtriggerimpulse gleiche Zeitabstände, beispielsweise 0,5 ms, bei einer Impuls­ dauer von 0,05 ms haben.

Nachteilig bei dieser Lösung ist der vergleichsweise hohe Zündstrombedarf. Dieser bedingt daß das den Mikrorechner (Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller) und den Zündverstärker versorgende Netzteil so dimensioniert sein muß, daß es den hohen Zündstrombedarf deckt, ohne daß die Versorgungsspannung zusammen­ bricht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung der eingangs genannten Art vorzu­ schlagen, bei der trotz sicherer Zündung des Triacs der Zündstromverbrauch ge­ ring ist, um das Netzteil preisgünstig aufbauen zu können.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch ist erreicht, daß Zündimpulse nur dann auf­ treten, wenn sie tatsächlich nötig sind. Durch diese Verringerung der ausgelösten Zündimpulse ist der Zündstromverbrauch, den das Netzteil decken muß, beträcht­ lich reduziert.

Für die Schaltung selbst ist der Mehraufwand gegenüber den Ersparnissen am Netzteil gering, da der Mikrorechner oder Mikrocomputer ohnehin vorgesehen ist und ihm nur eine zusätzliche Funktion übertragen wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild der Zündschaltung,

Fig. 2 ein Strom-Spannungsdiagramm der Schaltung,

Fig. 3 ein Strom-Spannungsdiagramm der Schaltung bei 100% Ansteuerung (0° Zündwinkel) und induktiver Last,

Fig. 4 ein gegenüber Fig. 3 zeitgespreiztes Strom-Spannungsdiagramm und

Fig. 5 zum Vergleich ein Strom-Spannungsdiagramm nach dem Stand der Technik.

Ein Motor einer Waschmaschine oder eines Wäschetrockners, beispielsweise für den Antrieb einer Wäschetrommel, ist ein Universalmotor und stellt eine induktive Last 1 dar, die über einem Triac 2 am Haushaltsnetz L, N liegt. Der Triac 2 ist über einen Zündverstärker 3 von einem Ausgang 4 eines Mikrorechners 5 ansteuerbar. Der Mikrorechner 5 generiert Zündimpulse zur Drehzahlsteuerung oder -regelung des Motors 1 durch eine auf die Netzphase bezogene Phasenanschnittsteuerung. Diese Zündimpulse werden von dem Zündverstärker 3 auf eine für den Triac 2 geeignete Amplitude verstärkt.

Ein an der Netzspannung L, N liegendes Netzteil 6 hat einen Ausgang U₁ zur Ver­ sorgung des Mikrorechners 5 und einen Ausgang U₂ zur Versorgung des Zünd­ verstärkers 3.

Der lastseitige Anschluß des Triacs 2 liegt über einem spannungsfesten Widerstand 7 am Mittelpunkt eines Spannungsteilers aus Widerständen 8, 9 und an einem Analogeingang 10 des Mikrorechners 5. Die Widerstände 8, 9 sind an Referenz­ spannungseingänge 11, 12 des in dem Mikrorechners 5 integrierten Analogwand­ lers gelegt.

Die Widerstände 7, 8, 9 sind so dimensioniert, daß sich bei durchgeschaltetem, gezündetem Triac 2 eine Spannung am Analogeingang 10 ergibt, die sich eindeutig von denjenigen Spannungen unterscheidet, welche sich in der positiven und der negativen Halbwelle der Netzspannung bei nicht durchgeschaltetem Triac 2 erge­ ben. Vorzugsweise ist die Spannung am Analogeingang 10 bei durchgeschaltetem Triac 2 gleich der halben Spannung zwischen den Referenzspannungseingängen 11, 12. Der zu erwartende Maximalwert bei nicht durchgeschaltetem Triac 2 liegt un­ terhalb der positiven Referenzspannung U₃ am Referenzspannungseingang 11. Der zu erwartende Minimalwert bei nicht durchgeschaltetem Triac 2 liegt oberhalb der negativen Referenzspannung U₄ am Referenzspannungseingang 12. Die positive Referenzspannung U₃ kann ein gleiches Spannungspotential wie der Ausgang U₁ des Netzteils 6, und die negative Referenzspannung kann ein gleiches Spannungs­ potential wie der Bezugspunkt U₅ besitzen.

Der Mikrorechner 5 wertete, bevor er einen Zündimpuls (Nachtriggerimpuls) er­ zeugt die am Analogeingang 10 anstehende Spannung aus. Ein den Triac 2 über den Zündverstärker 3 zündender Triggerimpuls wird nur erzeugt, wenn am Ana­ logeingang 10 eine Spannung anliegt, die außerhalb eines Bereichs um diejenige Spannung herum liegt die sich bei durchgezündetem Triac 2 ergibt.

Das Netzteil 6 kann beispielsweise ein einfach aufgebautes Kondensatornetzteil mit einem Vorwiderstand und einem Kondensator sein.

In den Zeitdiagrammen der Fig. 2 bis 5 zeigen die Kurve a die Netzspannung, die Kurve b den durch die induktive Last 1 bzw. den Triac 2 fließenden Strom, die Kurve c die Spannung über den Triac 2 und die Kurve d Zündimpulse bzw. Nach­ triggerimpulse.

Nach dem Beispiel in Fig. 2 wird der Zündimpuls nach dem Durchgang 13 der Netzspannung durch das positive Maximum 14 erzeugt, um den Motor 1 in Teillast zu betreiben. Beim Stromnulldurchgang 16 geht der Triac 2 in seinen Sperrzustand über und die an ihm abfallende Spannung 17 steigt. Beim nächsten Zündimpuls nach dem Durchgang der Netzspannung durch das negative Maximum 15 wird der Triac 2 wieder gezündet. Bei diesem Betriebsbeispiel liegt nach jedem Zündimpuls die Spannung am Analogeingang 10 innerhalb eines Bereiches an, und zwar um diejenige Spannung, die sich ergibt, wenn der Triac gezündet ist. Der Triac 2 rastet ein, d. h. bleibt bis zum nächsten Spannungsnulldurchgang 18 gezündet. Der Mikro­ rechner 5 löst nach dem Zündimpuls keine Nachtriggerimpulse aus, weil diese überflüssig wären. Das Netzteil 6 wird also nicht durch die Erzeugung von Nach­ triggerimpulsen belastet.

Fig. 5 zeigt die gleichen Verhältnisse wie Fig. 2. Nach dem Stand der Technik, den Fig. 5 zeigt werden jedoch nach dem jeweils ersten Zündimpuls 19 Nach­ triggerimpulse 20 erzeugt, wie dies die Kurve d offenbart. Überschlagsrechnungen zeigen, daß bei einem Impulsabstand von 0,5 ms, einer Impulslänge von 0,05 ms und einer Impulsamplitude von 100 mA der Stromverbrauch nach dem Stand der Technik etwa um den Faktor 6 höher ist als bei der Erfindung. Dementsprechend muß beim Stand der Technik ein größerer und damit teuerer Kondensator im Netzteil, beispielsweise 0,001 mF, als bei der Erfindung, beispielsweise 0,00047 mF, verwendet werden.

In den Fig. 3 und 4 ist der Fall gezeigt, in dem eine 100%-Ansteuerung des Motors 1 gewünscht ist. Dementsprechend erzeugt der Mikrorechner 5 den ersten Zündimpuls im Zeitpunkt t₁ gleich nach dem Nulldurchgang 13 der Netzspannung (Kurve a). Wegen der Phasenverschiebung aufgrund der induktiven Last 1 ist zum Zeitpunkt t₁ der Triac 2 noch aus der vorhergehenden Periode gezündet. Dieser erste Zündimpuls ist ein Sonderfall und könnte also an sich als überflüssig betrach­ tet werden und deshalb entfallen. Er kann jedoch für die Ansteuersicherheit und wegen der möglichen unterschiedlichen Phasenverschiebung an den Triac gegeben werden. Im Regelfall wird der Zündimpuls t₁ nicht erzeugt weil der Triac 2 noch gezündet ist.

Der Mikrorechner 5 ist im Prinzip fähig, in gleichen Zeitabständen, beispielsweise 0,5 ms, Nachtriggerimpulse über den Zündverstärker 3 an den Triac 2 zu legen. Zum Zeitpunkt t₂, zu dem der Mikrorechner 5 bereit ist, den ersten Nachtriggerim­ puls zu erzeugen, wird dieser beim Betriebsbeispiel der Fig. 3 und 4 nicht an den Zündverstärker 3 und damit auch nicht an den Triac 2 gegeben, weil die am Triac 2 abfallende Spannung (Kurve c) noch 0 V ist, d. h. die Spannung am Analog­ eingang 10 liegt im Bereich derjenigen Spannung, die sich bei gezündetem Triac 2 ergibt.

Im Zeitpunkt t₃ des nächsten Nachtriggerimpulses ist der Nulldurchgang des Stro­ mes (Kurve b) erreicht und die am Triac 2 abfallende Spannung steigt an. Die Spannung am Analogeingang 10 liegt nun außerhalb eines Bereiches um diejenige Spannung, die sich bei durchgezündetem Triac 2 ergibt. Der Mikrorechner 5 gibt also einen Nachtriggerimpuls über den Zündverstärker 3 an den Triac 2. Dieser Nachtriggerimpuls bringt die am Triac 2 abfallende Spannung zum Zusammenbre­ chen. Der Triac 2 zündet zwar zunächst, erlischt jedoch wieder, da wegen der klei­ nen Netzspannung der entstehende Strom noch kleiner als der für den Triac 2 nöti­ ge Mindest-Haltestrom ist. Die Spannung am Analogeingang 10 liegt außerhalb des Bereiches derjenigen Spannung, die sich bei durchgezündetem Triac 2 ergibt.

Im nachfolgenden Zeitpunkt t₄ tritt der dritte Nachtriggerimpuls auf, weil die Spannung am Analogeingang 10 außerhalb des genannten Bereiches liegt. Der Triac 2 wird gezündet und bleibt gezündet, weil sein Mindest-Haltestrom aufgrund der nunmehr in der Netzhalbwelle angestiegenen Spannung erreicht ist. Weitere Nachtriggerimpulse treten nicht mehr auf, weil der Mikrorechner 5 an seinem Analogeingang 10 erkennt, daß der Triac 2 gezündet ist.

In der nächsten Netzspannungshalbwelle wiederholen sich die beschriebenen Vor­ gänge.

Die Maximalanzahl der für eine sichere Zündung des Triacs 2 in jeder Netzhalbwel­ le nötigen Zündimpulse ist also gering und liegt etwa bei 1 bis 2 Zündimpulsen. Es ist auch nicht zu befürchten, daß die vom Netzteil 6 abgegebene Versorgungsspan­ nung zusammenbricht. Hierfür kann es günstig sein, durch einen Algorithmus des Mikrorechners 5 die innerhalb einer bestimmten Zeitspanne maximal auszulösenden Zünd- bzw. Nachtriggerimpulse auf eine bestimmte Zahl, beispielsweise 2 bis 4 pro Netzhalbwelle, zu beschränken. Damit ist vermieden, daß in einem etwaigen Feh­ lerfall, beispielsweise beim unerwünschten Abheben von Bürsten des Motors 1, derart viele Zündimpulse erzeugt werden, daß dadurch das Netzteil 6 überlastet würde.

Claims (8)

1. Zündschaltung eines Triacs, der eine induktive Last, insbesondere einen Motor für Haushaltsgeräte, in Phasenanschnittsteuerung mittels eines Mikrorechners steuert, wobei zur Spannungsversorgung des Mikrorechners und eines Zünd­ verstärkers für den Triac ein Netzteil vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß an einen Analogeingang (10) des Mikrorechners (5) ein Spannungssignal gelegt ist, das der an dem Triac (2) abfallenden Spannung entspricht, und daß ein Zündimpuls oder Nachtriggerimpuls vom Mikrorechner (5) dann ausgelöst wird, wenn das Spannungssignal außerhalb eines Spannungsbereiches liegt in dem das Spannungssignal bei durchgeschaltetem Triac (2) liegt.

2. Zündschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrorechner (5) in jeder Netzhalbwelle entsprechend des zur An­ steuerung des Triacs (2) vorgesehenen Zündwinkels einen Zündimpuls erzeugt und ausgelegt ist, nach dem Zündimpuls Nachtriggerimpulse in gleichen zeitli­ chen Abständen auslösen zu können und Nachtriggerimpulse unterdrückt, wenn das Spannungssignal am Analogeingang (10) innerhalb eines Bereiches um diejenige Spannung liegt, die sich bei durchgeschaltetem Triac (2) ergibt.

3. Zündschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Triac (2) lastseitig über einen Widerstand (7) an den Analogeingang (10) und einen Spannungsteiler (8, 9) gelegt ist.

4. Zündschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (8, 9) an Referenzspannungseingänge (11, 12) des Mi­ krorechners (5) gelegt ist.

5. Zündschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der lastseitige Widerstand (7) und die Widerstände (8, 9) des Spannungs­ teilers so dimensioniert sind, daß sich das bei durchgeschaltetem Triac (2) am Analogeingang (10) ergebende Spannungssignal eindeutig von den Spannun­ gen unterscheidet, die sich in den positiven und negativen Halbwellen bei nicht durchgeschaltetem Triac 2 ergeben.

6. Zündschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungssignal am Analogeingang (10) bei durchgeschaltetem Triac (2) etwa gleich der halben Spannung zwischen den Referenzspannungseingän­ gen (11, 12) ist, und daß der bei nicht durchgeschaltetem Triac (2) am Analo­ geingang (10) zu erwartende Maximalwert unterhalb der positiven Referenz­ spannung (U₃) am Referenzspannungseingang (11) und der zu erwartende Minimalwert oberhalb der negativen Referenzspannung (U₄) am Referenz­ spannungseingang (12) liegen.

7. Zündschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrorechner (5) die Anzahl der innerhalb einer festgelegten Zeit­ spanne, beispielsweise Netzhalbwelle, maximal ausgelösten Zünd- oder Nach­ triggerimpulse begrenzt.

8. Zündschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrorechner (5) von einer positiven Versorgungsspannung und der Zündverstärker (3) von einer negativen Versorgungsspannung des Netzteils (6) gespeist ist.