DE2106319C3 - Steuerschaltung für ein Triac-Stellglied - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich aJ eine Schaltung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei Wechselstrom-Stellgliedern, di mit steuerbaren Gleichrichtern, also Thyristoren oder Triacs, aufgebaut sind, benutzt man vorzugsweise zwei Verfahren, um den Effektivwert des Laststromes und damit die einem Verbraucher zugeführte Leistung zu steuern oder zu regeln: entweder die Phasenanschnittsteuerung oder die Impulsbreitensteuerung.

Bei der Phiisenanschnittsteuerung wird die dem Verbraucher zugeführte Leistung durch den Zeitpunkt bestimmt, bei dem ein Steuerimpuls innerhalb jeder HalbwePe der Metzwechselspannung den steuerbaren Gleichrichter tündet. Bei diesem Verfahren, das bevorzugt zur Leistungsregelung bei Glühlampen sowie zur Motor-Drehzahlregelung verwendet wird, entsteht durch die steilen Anschnittflanken ein sehr großes Spektrum an Oberwellen, das zu erheblichen Funkstörspannungen führt. Es müssen deshalb Entstörglieder eingesetzt werden, die insbesondere bei höheren Lastströmen seir teuer und platzraubend sind. Außerdem ergibt sich ein nacheilender Strom, der eine scheinbar induktive Netzbelastung hervorruft, und ferner kann es bei großen Leistungen zu einer Verschlechterung der Netzkurvenform kommen.

Aus diesen Gründen wird bei relativ trägen Verbrauchern, die Impulsbetrieb niedriger Frequenz ohne weiteres erlauben (z. B. thermische Regelstrecken) das Prinzip der Impulsbreitensteuerung bevorzugt. Der steuerbare Gleichrichter wird hier als reiner Schalter Verwendet, ermöglicht aber wesentlich höhere Schall· frequenzen als eiektromechanische Schalter, Bei der Ihipülsbfeitensteuefung, auch als Impulsgrüppen-Steue·' rung bezeichne^ erfolgt die Steuerung z, B, eines Triacs so, daß dem Verbraucher wechselweise eine Anzahl von Sinushalbwellen der Netzwechselspannung zugeführt wird und daß dann wieder für eine bestimmte Zeit gesperrt wird. Die Verbraucherleistung wird also durch das Tastverhältnis, d.h. durch das Verhältnis von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit des steuerbaren Gleichrichters bestimmt. Eine gegenüber der Phasenanschnittsteuerung wesentlich geringere Funkstörung wird allerdings nur erreicht, wenn der Triac bei ohmscher Last unmittelbar in oder kurz nach dem Spannungs-Nulldurchgang der Netzkurve gezündet wird, wrs bei vielen bekannten Schaltungen nicht der Fall ist. Untersuchungen ergaben, daß der Phasenanschnitt, also die Dauer vom Netzspannungs-Nulldurchgang bis zum Durchschalten des Triacs, kleiner als 50 μ5 sein müßte (entspricht einem momentanen Spannungswert von ca. 5 V bei 220-V-Netzen), wenn die Störungen die Grenzwerte für den Funkstörgrad N nicht überschreiten sollen.

Der im folgenden erläuterte Stand der Technik wird durch die nachstehenden Schriften dokumentiert:

(1) »Elektronik«, 1967, Heft 8, Seiten 237 bis 239,

(2) DE-OS 18 01404,

(3) US-PS34 44 456,

(4) »Electronics«, Heft 8/1967, Seiten 81 bis 86,

(5) »Elektronikpraxis«, Heft 6/1970, Seiten 34 bis 41

(6) »Funkschau«, Heft 19/1968, Seite 590,

(7) »Techn. Mitt. \EG-Telefunken«, 58/1968, Seiten 97 und 98.

Die für die Impulsbreitensteuerung verwendeten Steuerschaltungen sind sehr vielfältig und unterscheiden sich z. T. erheblich nach Art und Aufwand. So sind sehr einfach aufgebaute Temperatur-Regelschaltungen bekannt, bei denen ein Triac von einem Triggerkreis gesteuert wird, der aus Dioden und Widerständen aufgebaut ist und aus dem Netz versorgt wird. Ein mit Transistoren aufgebauter Kurzschlußschalter schließt dabei in Abhängigkeit von der Erwärmung eines NTC-Widerstandes die Triggerschaltung kurz und verhindert dadurch ein weiteres Zünden des Triacs (6).

Derart einfach aufgebaute Reglerscliältungen können jedoch höheren Anforderungen nicht genügen. Um eine gute Regelgenauigkeit erzielen zu können, ist es notwendig, hochwertige Regler zu verwenden, denen steuerbare Gleichrichter mit einer zugehörigen Steuerschaltung als Stellglied nachgeschaltet werden.

Bekannte Schaltungen verwenden zur Steuerung eines Triac-Stellgliedes einen stetigen Regler. Da das stetige Ausgangssignal des Reglers jedoch nicht zur direkten Steuerung das Triac-Stellgliedes geeignet ist, muß es erst in ein pulsierendes Signal mit entsprechendem Tastverhältnis umgeformt werden. Der hierzu erforderliche Umsetzer, der zusammen mit dem Nuii'punklschalter die Steuerschaltung für den Triac bildet, macht die Schaltung natürlich aufwendig. Aus Sicherheitsgründen ist es außerdem allgemein notwendig, für eine galvanische Trennung zwischen der Ansteuerseite und der Leistungsseite zu sorgen, Hierzu ist bei bekannten Schaltungen dem stetigen Regler ein

Gleichspannungswandler nachgeschaltet, der, um Übertragungsfehler zu vermeiden, ein qualitativ hochwertiger Meßwandler sein muß (2). Es sind auch Schaltungen* bekannt bei denen die Pölentiällfennung am Ausgang der Steuerschaltung mit Hilfe eines Zündübertragers erfolgt (2; 3). Wenn ein bestimmter Funkstörgrad erreicht werden soll, sind jedoch diese Schaltungen noch aufwendiger, da dann die Steuerschaltung zur Synchronisation mit dem Netz verbunden sein muß und das bei

Potentialirenrmng nur durch einen zusätzlichen Transformator erfolgen kann (I).

Da es bei der Impulsbreitensteuerung ohnehin um ein nichtstetiges Steuerverfahren handelt, ist es naheliegend, anstatt eines stetigen Reglers gleich einen schaltenden Regler zu verwenden. Sofern dieser mit einer ausreichend hohen Schaltfrequenz arbeitet, kann mit ihm im Zusammenwirken mit einem Triac-Stellglied ebenso ein quasistetiges Regelverhalten erreicht werden wie mit einem stetigen Regler. So sind auch Schaltungen entwickelt worden, bei denen ein Zweipunktregler mit einem Thyristor-Stellglied zusammengeschaltet ist ohne Zwischenschaltung des in Verbindung mit stetigen Reglern notwendigen Umsetzers. Dieser kann entfallen, da Zweipunktregler bereits ein impulsbreitenmoduliertes Ausgangssignal besitzen (4, 5). Eine Potentialtrennung zwischen Steuer- und Leistungsseite erzielen bekannte Schaltungen mit einem Zündüberfager am Ausgang der Steuerschaltung. Bei diesen Schaltungen ist ein zusätzliches Netzteil erforderlich, das die Steuerschaltung mit Strom versorgt und außerdem die Synchronisation mit der Netzspannung ermöglicht (7).

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es erlaubt, ohne Zündübertrager und ohne zusätzliches Netzteil für den Zündstrom ein Triac-Stellglied zu steuern. Dabei soll diese Schaltung die erforderliche Steuerleistung auch nicht unmittelbar dem Netz entnehmen, weil dann teuere, für hohe Spannungen geeignete Halbleiter benötigt werden und zudem eine hohe Verlustleistung anfällt. Die Steuerung des Triacs soll mit Hilfe eines schaltenden Reglers erfolgen, wobei jedoch der Regler und besonders der an ihm liegende Meßkreis von dem am Triac-Stellglied liegenden Lastkreis galvanisch getrennt sein muß. Die Schaltung soll diesen Anforderungen mit billigen Bauteilen gerecht werden, vor allem soll sie mit geringer Steuerleistung und ohne Meßwandler auskommen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Ansteuerleistung für den Triac vom Regler geliefert wird, ohne den Regler jedoch damit besonders zu belasten, da er nur die Leistung für ganz kurze Impulse aufbringen muß. Ein besonderes Netzteil zur Erzeugung des Steuerstromes für den Triac ist nicht erforderlich. Hierdurch wird sowohl die Zahl der benötigten Bauteile eingeschränkt als auch die Verlustleistung herabgesetzt. Da der zur Potentialtrennung eingesetzte Gleichspannungswandler nur das binäre Ausgangssignal des schaltenden Reglers übertragen muß, benötigt rr keine Meßwandlereigenschaften, kann also mit einfachen Mitteln ausgeführt werden. Der Nullpunktschalter übernimmt eine doppelte Funktion, erstens hält er die Belastung des Reglerausganges niedrig und außerdem sorgt er dafür, daß der Triac jeweils nur im Nulldurchgang der Netzwechselspannung zündet und dadurch nur geringe Störungen entstehen,

EiIi Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Triac-Stellgliedes, Fig.2 das zeitliche Zusammentreffen von Zündimpulsen und Netzwechselspannung,
F ι g. 3 den Wirkschaltplan des Triac-Stellgliedes.

F i g. 1 zeigt am Eingang des Blockschaltbildes einen Gleichspannungswandler W, der das vom Regler kommende Gleichspannungssignal in ein Wechselspannungssignal umformt, dieses von der Steuerseite auf die ro Leistungsseite mit Hilfe eines Trennwandlers überträgt und wieder gleichrichtet Das vom Regler kommende Gleichstromsteuersignal wird nun über einen elektronischen Schalter S, der von einem Nullpunktschalter N netzsynchron geschaltet wird, der Steuerelektrode eines den Lastwiderstand Rl speisenden Triacs 7>zugeführt

Wie F i g. 2 zeigt, wird dem Triac Tr beim Nulldurchgang der Netzwechselspannung U ein kurzer, etwa 100 μ5 währender Zündimpuls zugeführt, der kurz vor dem Nulldurchgang beginnt und kurz danach endeL Der Momentanwert der Netzwechselspannung steigt während di<r,er Zeit nicht höher als ca. 5 V. so daß die bei größeren Anschnittspannunf <> auftretender. Störungen vermieden werden. Die Leistung des Zündimpulses wird vom schaltenden Regler geliefert. Anhand von F i g. 3 sei die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltung erläutert. Die Steuerspannunf wird einem Oszillator O zugeführt, der die Gleichspannung in eine Wechselspannung umformt und sie mit Hilfe eines Trennwandlers auf die Leistungsseite überträgt. Die Wechselspannung wird durch eine Diode D gleichgerichtet, mittels eines Kondensators C geglättet, und über einen Transistor Γι der Steuerelektrode des Triac Tr zugeführt. Ein zweiter Transistor T₂ ist mit Ti zu einer Darlington-Schaltung vereinigt In Verbindung mit einer Zenerdiode und Widerständen Rt. R2 bilden die Transistoren Ti, TieineStrom-Regelschal· tung. Diese sorgt dafür, daß der Steuerelektrode des Triacs Stromimpuise konstanter Amplitude zugeführt werden. Die beachtlichen Streuungen der zur Zündung des Triacs erforderlichen Steuerspannungen bkiben dadurch ohne Einfluß auf den Zündstrom.

Die zeitliche Folge und Dauer der Zündimpulse wird durc.i den Nullpunktschalter N bestimmt Dieser schließt nach einem bestimmten Minimalwert der Wechselspannung die Zenerdiode kurz, wodurch die Transistoren 7Ί und 7i gesperrt werden und der Steuerstromkreis des Triacs unterbrochen wird. Eine Zündung ist also nur während eines kurzen Zeitraumes um den Nulldurchgang der Netzkurve herum möglich, so daß die Störspannung immer niedrig bleibt. Der Nullpunktschalter wird auch als integrierte Schaltung hergestellt und kann deshalb als ein einzelnes Bauteil betrachtet werden.

Die Schaltung ist natürlich ebenso gut auch in Verbir.lung mit Thyristoren zu verwenden. Für eine quasistetige Regelung ist es wesentlich, daß das am Eingang des Stellgl^:fcdes angelegte binäre 3t\iersignal eine ausreichend hohe Schaltfrequenz besitzt. Bei Zweipunktreglern kann die Schaltfrequenz zum Beispiel durch Verringerung des Differentialanteils erhöht werden. Der schaltende Regler kann jedoch auch aus einem stetigen Regler und einem nachgeschalteten Taktgeber, der das stetige Signal in ein impulsbreitenmoduliertes Signal umwandelt, zusammengesetzt sein. 65

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Steuerschaltung für ein Triac-Stellglied, das in Abhängigkeit vom binären Ausgangssignal eines schaltenden Reglers durch Impulsbreitensteuerung die Wechselstromversorgung eines ohmschen Verbrauchers steuert und bei dem ein Nullspannungsschalter dafür sorgt, daß der Triac nur im Nulldurchgang der sinusförmigen Wechselspannung zündet, mit galvanischer Trennung zwischen Steuer- und Lastkreis, dadurch gekennzeichnet, daß das impulsbreitenmodulierte binäre Ausgangssignal des schaltenden Reglers über einen zur Potentialtrennung zwischengeschalteten Gleichspannungswandler (W) und einen in Reihe zum Stouereingang des Triacs (Tr) geschalteten Transistor (T\), der vom Nullspannungsschalter (N) bei jedem Nulldurchgang der Netzwechselspannung (U) auf Durchgang und nach einer kurzen, für die Zündung notwendigen Zeit auf Sperrung gesteuert wird, dem Svtuereingang des Triacs (Tr) zugeführt ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vor die Steuerelektrode des Triacs (Tr) geschaltete Transistor (T\) das Stellglied einer Stromregelschaltung ist, die das vom Gleichspannungswandler (W) dem Triac (Tr) zugeführte Steuersignal auf einen vorgegebenen Wert begrenzt.