DE2218285C2 - Elektronische Schaltungsanordnung zum netzfrequenzsynchronen Schalten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltungsanordnung zum netzfrequenzsynchronen Schalten eines Wechselstrom-Verbraucherstromkreises. Zu diesem Zweck sind bereits Schaltungen bekannt,

■"' deren Steuerelemente in Form von Leistungshalbleitern stets im Nulldurchgang der Halbwellen ein- und abschalten. Derartige Nullspannungsschalter haben gegenüber der Phasenanschnittsteuerung zwar den Vorteil, in sich besondere Entstörfilter überflüssig zu machen; sie eignen sich jedoch nicht zum Steuern von Beleuchtungseinrichtungen, weil hier die mehrere Perioden betragende Sperrzeit ein störendes Flackern der Lampen verursachen würde.

So zeigt u.a. die DE-OS 15 62 378 einen Startkreis zum netzfrequenzsynchronen Einschalten eines Verbrauchers, durch den ein Impuls erzeugt wird, der jeweils den Beginn der nächsten Halbwelle abwartet. Aufgrund dessen eignet sich diese Schaltung nicht zum kontinuierlichen Zünden eines Triacs in den beiden Nulldurchgängen einer Periode.

Des weiteren ist in der DE-AS 12 76 712 eine elektronische Schaltungsanordnung zum Ein- und/oder Ausschalten eines Wechselstromkreises beschrieben, bei der die Auslösung eines Schalters stets in den gleichen, um jeweils 360° voneinander entfernten Phasen- bzw. Nullpunkten erfolgen soll, um die Funkenbildung an den Kontakten elektromechanischer Schaltmittel zu vermeiden. Mit dieser Schaltung ist demnach ein Schalten bei 180° ebensowenig erwünscht

*>5 wie möglich.

Darüber hinaus sind diese bekannten Schaltungsanordnungen, selbst unter Vernachlässigung der teils noch erforderlichen Funkentstörmittel, viel zu aufwendig, um

beispielsweise für gebräuchliche Hausinstallationsgerä- »e in Betracht zu kommen, insbesondere wenn diese als Berührungsschalter (Sensoren) ausgeführt sein sollen, wie diese der Art nach z. B. aus der DE-AS 19 42 446 bekannt sind.

In Anbetracht dessen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Schalüjngsanordnung der genannten Art zu entwickeln, mit der sich unter Verwendung eines Nulldurchgangskomparators die periodische Zündung des gesteuerten Leistungshalbleiters exakt und mit geringem Aufwand durchführen läßt

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gemäß der Erfindung derart ausgelegt, daß die als Berührungsschalter ausgebildete und mit einer nachfolgenden Speicherstufe od. dgl. versehene Anordnung zusammen mit dem ein Hilfssignal liefernden Nulldurchgangskomparator auf eine UND-Schaltung einwirkt, von welcher die Leistungsstufe gesteuert und dadurch der Verbraucherstromkreis geschaltet wird.

In dieser Schaltung gibt der Nulldurchgangskomparator, der gewissermaßen einen polaritätsunabhängigen Schwellenwertschalter darstellt, denjenigen Phasenwinkel in Nähe eines Nulldurchgangs der Versorgungsspannung an, bei dem die Zündung des gesteuerten Gleichrichters erfolgen soll. Dieser Phasenwinkel kann bei Zweidrahtschaltern beispielsweise für die Erzeugung der Versorgungsspannung für die elektronische Steuerschaltung des Schalters verwendet werden. Er liegt dann etwa bei 8 bis 15°. Die Verzögerung dient so ferner dazu, sicherzustellen, daß die Zündung des gesteuerten Gleichrichters erst erfolgt, nachdem sich zwischen Anode und Kathode eine genügend hohe Versorgungsspannung aufgebaut hat. Der Nulldurchgangs-Komparator legt also den möglichen Zeitpunkt für die Zündung fest, und zwar in Abhängigkeit vom Augenblickswert der Versorgungsspannung. Die Entscheidung darüber, ob der gesteuerte Halbleiter gezündet werden soll oder nicht, kommt vom Sensor, dessen Signal — ggf. nach entsprechender Verarbeitung — an einen Eingang der UND-Schaltung gelegt ist. Die UND-Schaltung ist als Tor aufzufassen, das durch das Sensorausgangssignal entweder geöffnet oder geschlossen wird und die Signale des Nulldurchgangs-Komparators zum steuerbaren Halbleiter durchläßt oder nicht. -ιϊ

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung besteht der Nulldurchgangs-Komparator aus zwei gleichartigen Transistoren, deren Kollektoren miteinander verbunden sind und deren Basen und Emitter wechselseitig zusammengeschaltet sind, wobei die Basis des einen Transistors direkt am Bezugspotential der Versorgungsspannung liegt, während die Basis des anderen Transistors über einen Spannungsteiler an dem anderen Potential der Versorgungsspannung liegt. Die Spannungen an Emitter und Basis der beiden Transistoren werden also ständig miteinander verglichen. Wegen der wechselseitigen Schaltung der Emitter und Basen ist stets mindestens einer der beiden Transistoren nichtleitend. Welcher der Transistoren gesperrt ist, richtet sich nach der jeweiligen Polarität der Versorgungsspannung, bo In der Nähe eines Nulldurchgangs sind beide Transistoren gesperrt, so daß bei Erreichen des eingestellten Winkels der Sinusspannung ein Potentialsprung an den miteinander verbundenen Kollektoren stattfindet. Der Phasenwinkel der Netzspannung bzw. der Amplituden- μ wert, bei dem die Umschaltung stattfindet, wird durch das Spannungsteilerverhältnis vorgegeben. Durch den symmetrischen Aufbau des Nulldurchgangs-Komparators wird erreicht, daß dieser Phasenwinkel bei positiven Halbwellen die gleiche Größe hat wie bei negativen Halbwellen.

Der erwähnte Nulldurchgangs-Komparator eignet sich insbesondere dann, wenn als steuerbarer Halbleiter ein Triac verwendet wird. Ein Triac bietet den Vorteil, daß positive und negative Halbwellen durchgeschaltet werden können, so daß man mit einem einzigen elektronischen Leistungshalbleiter ausKommt

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung reagiert der Sensor auf Änderungen des ihn umgebenden elektromagnetischen Feldes, die durch Annäherung eines Körpers hervorgerufen werden. Er besteht aus einem Feldeffekttransistor, der mit seiner Gate-Elektrode über einen Schutzwiderstand mit einer Tastplatte und über einen weiteren Widerstand mit einem Potential der Versorgungsspannung verbunden ist Ein derartiger Sensor ist sehr hochohmig und registriert die Brummspannung, die durch das Anlegen der Hand übertragen wird. Er wird hierdurch je nach der angewendeten Schaltung geöffnet oder gesperrt. Die Leistungsaufnahme ist extrem gering.

Der erfindungsgemäße elektronische Schalter eignet sich u. a. zur Verwendung als Zweidrahtschalter, dessen Versorgungsgleichspannung von einem in Reihe mit einem Kondensator an der Versorgungsspannung liegenden Transistor erzeugt wird, dessen Basis mit dem Ausgang des Nulldurchgangs- Komparators verbunden ist, derart, daß der Kondensator nur im Anfangsbereich einer Halbwelle der Versorgungsspannung aufgeladen und zu dem Zeitpunkt abgeschaltet wird, in dem der Nulldurchgangskomparator ein Triggersignal abgibt. Der Nulldurchgangs-Komparator hat dabei eine zweifache Aufgabe. Er bestimmt einerseits den Zeitpunkt, zu dem der steuerbare Halbleiter gezündet werden darf, zum anderen begrenzt er die Zeitspanne, in der der zur Erzeugung der Versorgungsgleichspannung dienende Kondensator aus dem Netz gespeist wird. Er stellt also das eigentliche Steuerorgan dar, das einerseits die Aufrechterhaltung der Versorgungsgleichspannung für die elektronische Steuerschaltung sicherstellt, andererseits aber auch den Zeitpunkt der Einschaltung der Last bei jeder Halbwelle angibt.

Der elektronische Schalter kann auch als Dreidrahtschalter ausgebildet sein. In diesem Fall vereinfacht sich die Gleichspannungsversorgung der elektronischen Schaltung, weil ein herkömmlicher Gleichrichterteil verwendet werden kann. So kann z. B. der Ladekondensator über einen in Reihe mit einer Diode direkt am Netz liegenden hochohmigen Widerstand in jeder zweiten Halbwelle auf die Betriebsspannung von beispielsweise 6 V aufgeladen werden.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren an zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

F i g. 1 veranschaulicht zunächst zum besseren Verständnis die allgemeinen Unterschiede zwischen einem Zweidrahtschalter und einem Dreidrahtschalter; Fig. 2 zeigt das Schaltbild eines Zweidrahtschalters;

F i g. 3 das Schaltbild eines Dreidrahtschalters, wobei im wesentlichen nur der Teil der Schaltung dargestellt ist, der sich von dem Zweidrahtschalter unterscheidet;

Fig. 4 ein allgemeines Blockschaltbild des Berührungsschalters.

Zur Erläuterung der Verhältnisse seien zunächst die Prinzipien eines Zweidrahtschalters und eines Dreidrahtschalters anhand von Fig. 1 erläutert. In Fig. la ist ein Zweidrahtschalter dargestellt. Die Last ist mit 10

bezeichnet und mit einer Klemme direkt über Leitung 11 an die Nullphase der Versorgungsspannung angeschlossen, während die andere Klemme über den Schalter 12 am anderen Pol der Versorgungsspannung liegt. 1st der Schalter 12 ein mechanischer Schalter, so bestehen keinerlei Schwierigkeiten technischer Art, weil der Schalter manuell geöffnet und geschlossen werden kann. Handelt es sich jedoch um einen elektronischen Schalter, so muß dafür gesorgt werden, daß die in ihm enthaltene elektronische Schaltung mit einer Gleich- in spannung versorgt wird. Diese Gleichspannung muß unabhängig davon zur Verfügung stehen, ob die Last 10 vom Laststrom durchflossen ist oder nicht. Wird der Schalter in schon bestehenden elektrischen Installationsanlagen eingesetzt, so stehen normalerweise nur η die beiden zum Schalter 12 führenden Leitungen zur Verfügung. Sollen die mechanischen Schalter durch elektronische Schalter ersetzt werden, so müssen besondere Vorkehrungen getroffen werden, um die Gleichspannungsversorgung für die Bauelemente des elektronischen Schalters sicherzustellen.

Bei Neuinstallationen kann man von vornherein dafür sorgen, daß jedem Schalter drei Leitungen zugeführt werden, so daß eine Dreidrahtschaltung, wie sie in F i g. Ib dargestellt ist, verwendet werden kann. Hierbei r> ist die Last 10 ebenfalls über Leitung 11 fest mit der Nullphase der Versorgungsspannung verbunden, während der andere Pol über den Schalter 13 an die Last 10 geführt ist Der Schalter 13 ist über eine zusätzliche Leitung 14 mit der Leitung 11 verbunden, so daß an ihm ü> die volle Netzspannung zur Verfügung steht. Diese kann in einer Gleichrichterschaltung in eine Versorgungsgleichspannung umgewandelt werden, so daß der elektronische Schalter im Prinzip so betrieben werden kann, wie es bei elektronischen Geräten im allgemeinen η üblich ist Wird der Schalter in größere elektrische Geräte eingebaut so kann er im allgemeinen als Dreidrahtschalter eingesetzt werden.

Der in F i g. 2 im Schaltbild dargestellte Zweidrahtschalter besteht aus mehreren einzelnen Baugruppen, ;<· die zur Verdeutlichung durch getrichelte Linien voneinander getrennt sind.

Die Last 10 ist in die mit der Nuliphase des Versorgungsnetzes verbundene Leitung 11 eingeschaltet und liegt in Reihe mit einem Triac 15, der den 4-eigentlichen Leistungsschalter bildet Der Stromkreis schließt sich über eine Entstörungsdrossel 16 und eine Sicherung 17, um zur zweiten Leitung 18 zu führen, die den zweiten Versorgungsanschluß darstellt Der Querkondensator 19 dient zusammen mit der Entstörungs- =0 drossel 16 als Filter 20 zum Heraussieben der bei der Phasenanschnittssteuening erzeugten Oberwellen.

Die für die elektronische Schaltung benötigte Gleichspannung wird durch das Netzteil 21 erzeugt Dieses besteht im wesentlichen aus dem Transistor 22, der in einem Teil jeder zweiten Halbwelle den Kondensator 23 auflädt Dem Kondensator 23 ist eine Zenerdiode 24 parallel geschaltet, die dazu dient, die Versorgungsgleichspannung auf etwa 6 V zu halten. Als Bezugspotential für diese Versorgungsgleichspannung t>u dient die Leitung 25, die mit der Leitung 18 nur über die Entstörungsdrossel 16 und die Sicherung 17 verbunden ist und den negativen Pol der Versorgungsgleichspannung bildet

Der npn-Transistor 22 ist über eine Diode 26 mit f*5 seinem Kollektor an die Last 10 angeschaltet Sein Emitter ist mit dem Kondensator 23 und der Zenerdiode 24 verbunden. An den Verbindungspunkt ist die positive Versorgungsleitung 28 angeschlossen. Zur Einstellung des Arbeitspunktes ist der Kollektor des Transistors 22 über einen Widerstand 29 mit der Basis verbunden. Hierdurch wird erreicht, daß der Transistor 22 ohne besondere Ansteuerung leitend ist.

Die Steuerung des Transistors 22 erfolgt über den Nulldurchgangs-Komparator 30. Dieser besteht aus zwei npn-Transistoren 31, 32 gleichen Typs, deren Kollektoren miteinander verbunden sind und über zwei in Reihe geschaltete Widerstände 56, 57 an Leitung 28 liegen. Der Verbindungspunkt der beiden Widerstände ist mit 33 bezeichnet. Außerdem ist der Emitter des Transistors 32, der an Leitung 25 liegt, mit der Basis des Transistors 31 verbunden und der Emitter des Transistors 31 mit dem Basisanschluß 34 des Transistors 32. Der Basisanschluß 34 liegt außerdem am Abgriff eines aus den Widerständen 35, 36 bestehenden Spannungsteilers. Der Spannungsteiler liegt parallel zum Triac 15. Der Widerstand 35 hat etwa den 80fachen Wert des Widerstandes 36, so daß an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 32 stets eine Spannung liegt, die dem Spannungsabfall am Triac 15 proportional ist Diese Spannung ist jedoch erheblich niedriger als die Spannung am Triac 15.

Der Nulldurchgangs-Komparator 30 könnte auch als Schwellenwertschalter bezeichnet werden, der polaritätsunabhängig ist und in Abhängigkeit von der Höhe der an Leitung 34 anliegenden Spannung am Punkt 33 ein Ausgangssignal erzeugt. Ist die Spannung an Leitung 34 positiv (gegenüber Leitung 25), so ist Transistor 32 leitend und Transistor 31 gesperrt Verringert sich die Spannung unter einen bestimmten durch den Transistortyp vorgegebenen Wert, so wird auch Transistor 32 gesperrt so daß der Punkt 33, der zuvor negativ war, jetzt positiv wird. Dies ist im Bereich des Nulldurchganges der Versorgungswechselspannung der Fall. Wird danach Leitung 34 negativ (gegenüber Leitung 25), so wird bei Oberschreiten einer bestimmten Amplitude der Transistor 31 leitend und Transistor 32 bleibt gesperrt Der Punkt 33 wird hierdurch wieder negativ. Dies bedeutet daß der Punkt 33 jeweils nur in den Bereichen von kurz vor dem Nulldurchgang bis kurz nach dem Nulldurchgang der Versorgungswechselspannung positiv ist während er im übrigen praktisch null ist Der Phasenwinkel, über den sich der Nulldurchgangsbereich erstreckt hängt vom Verhältnis der Widerstände 35 und 36 zueinander ab.

Der Nulldurchgangs-Komparator 30 (F i g. 2 und 4) erzeugt also ein Hilfssignal, das u. a. zur Einspeisung für den Trigger verwandt wird. Er steuert außerdem den Transistor 22 in der Weise, daß der Transistor 22 innerhalb jeder zweiten Wechselspannungshalbwelle zweimal geöffnet wird. Die Diode 26 sorgt dafür, daß der Transistor 22 nur in Durchlaßrichtung betrieben wird. Während einer positiven Halbwelle wird der Transistor 22 also im ansteigenden Bereich und bei abgeschalteter Last auch noch im abfallenden Bereich je einmal geöffnet nämlich dann, wenn die Amplitude so gering geworden ist daß beide Transistoren 31 und 32 des NuUdurchgangs-Komparators 30 gesperrt sind. Zu diesen Zeiten lädt sich der Kondensator 23 auf. Bei eingeschalteter Last findet die Aufladung gegen Ende der positiven Halbwelle nicht statt, da der leitende Triac praktisch einen Kurzschluß darstellt Die Aufladung erfolgt niederohmig und daher sehr schnell. Die Entladung des Kondensators 23 erfolgt dagegen verhältnismäßig hochohmig, so daß zwischen den Leitungen 25 und 28 eine hinreichend konstante

Gleichspannung liegt.

Der Sensor 37 besteht aus einem Feldeffekttransistor 38, dessen Gate-Elektrode 39 über einen hochohmigen Widerstand 40 von etwa 1 MOhm mit einer Metallplatte 41, die das eigentliche Tastelement bildet, verbunden ist. Zur Vermeidung von Fremdeinflüssen ist die Metallplatte 41 nur zur Tastseite hin offen und im übrigen abgeschirmt. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit ist die Berührungsplatte 41 als Plattenkondensator ausgebildet, so daß die Berührungsfläche ohmisch vom Netz getrennt ist. Die Gate-Elektrode 39 ist über ein hochohmiges Potentiometer 42 von 2,2 bis 10 MOhm mit der negativen Gleichspannungs-Versorgungsleitung 25 verbunden, an die auch der Source-Anschluß des Feldeffekttransistors 38 angeschlossen ist. Als Lastwiderstand für den Feldeffekttransistor dient der Widerstand 42, der an die positive Gleichspannungsversorgungsleitung 28 angeschlossen ist.

Der Feldeffekttransistor 38, der normalerweise leitend ist, wird durch Anlegen einer Brummspannung, wie sie beispielsweise durch den menschlichen Körper übertragen wird, an die Platte 41 gesperrt. Am Ausgang des Feldeffekttransistors findet also ein positiver Spannungssprung statt. Dieser wird über die Diode 43 auf die Phasenumkehrstufe 44 übertragen, die der weiteren Verstärkung des Sensorsignals dient. Die Phasenumkehrstufe 44 enthält einen npn-Transistor 45, an dessen Kollektor der Lastwiderstand 46 angeschlossen ist, sowie eine zwischen die Basis des Transistors 45 und Leitung 25 geschaltete Parallelschaltung aus einem Widerstand 47 und einem Kondensator 48. Der Widerstand 47 dient der Festlegung des Arbeitspunktes von Transistor 45, der bei nichterregtem Sensor 37 gesperrt ist, und Kondensator 48 hat die Aufgabe, etwa übertragene Brummanteile herauszufiltern.

Ein positiver Spannungssprung am Ausgang des Feldeffekttransistors 38 verursacht infolge der Phasenumkehr einen negativen Spannungssprung am Ausgang 49 des Transistors 45. Der Kondensator 50 sorgt dafür, daß geringfügige Störspannungen herausgesiebt werden und keine solchen Spannungssprünge verursachen.

An die Phasenumkehrstufe 44 ist ein Speicher 5 t in Form einer bistabilen Kippstufe oder eines Wechsel-Flip-Flops 52 angeschlossen. Der Eingang 53 reagiert ausschließlich auf negative Impulsflanken. Gelangt an die Eingangsleitung 53 ein negativer Impuls, so kippt die Kippstufe 52 in die jeweils andere Position um, dh, wenn der Ausgang 54 zuvor negativ war, wird er jetzt positiv und umgekehrt. Der Speicher 51 bildet auf diese Weise ein Gedächtnis für den am Sensor 37 eingestellten Befehl, wodurch der eingestellte Schaltzustand beibehalten wird, auch wenn der Sensor inzwischen nicht mehr erregt wird. Der Ausgang 54 des Speichers 51 ist mit dem Emitter eines npn-Transistors 58 verbunden, dessen Basis über einen Widerstand 66 an Leitung 25 liegt Der Kollektor des Transistors 58 ist Ober einen aus den Widerständen 59, 60 bestehenden Spannungsteiler mit dem positiven Pol der Versorgungsgleichspannung, also mit Leitung 28 verbunden.

Der Ausgang (Punkt 33) des Nulldurchgangs-Komparators 30 ist an die Basis eines npn-Transistors 61 angeschlossen, dessen Kollektor über den Lastwiderstand 62 an Leitung 25 liegt Der Transistor 61 dient als Umkehrverstärker. Sein Kollektor ist über den Koppelkondensator 63 mit der Basis des Transistors 58 verbunden.

Der Transistor 58 stellt eine UND-Schaltung 55 dar, deren einer Eingang der Emitter und deren anderer Eingang die Basis ist. Die UND-Schaltung dient als Trigger für den Leistungsschalter 15.

Liegt der Emitter des Transistors 58 hoch, so kann die Basis kein so hohes Potential erreichen, daß der Transistor öffnet. Liegt der Emitter jedoch tief, so kann die Basis ein so hohes Potential erreichen, daß der Transistor öffnet. Geschieht dies, so sinkt das Potential an der Basis des nachgeschalteten Transistors 64. Der Kollektor dieses Transistors 64 ist über einen Widerstand 65 mit der Steuerelektrode des Triacs 15 verbunden. Öffnet also der Transistor 58, so öffnet ebenfalls der Transistor 64, so daß ein Schaltstrom zur Steuerelektrode des Triacs 15 fließt und diesen durchsteuert. Das eigentliche Schaltsignal wird also vom Transistor 58 erzeugt. Der Transistor 64 wirkt als Schaltsignalverstärker.

Damit ein Schaltsignal erzeugt wird, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein:

1. Der Ausgang des Flip- Flops 52 muß TI EF sein oder AN, und

2. die Basis des Transistors 58 muß kurzfristig HOCH gehen und den Transistor 58 öffnen.

Nach dem Nulldurchgang wird entweder der Transistor 31 oder der Transistor 32 leitend und verursacht im Augenblick des Durchschaltens einen negativen Spannungssprung an der Basis des Transistors 61. Dieser Transistor, der bis dahin geschlossen war, öffnet, und das Potential an seinem Kollektor steigt plötzlich an. Über das aus dem Kondensator 63 und dem Widerstand 66 bestehende ÄC-Glied wird diese Spannungsänderung differenziert und ein positiver Spannungsimpuls an der Basis des Transistors 58 erzeugt, wodurch dieser Transistor kurzfristig geöffnet wird. In AN-Stellung des Schalters werden diese Schaltimpulse in jeder Halbwelle erzeugt Der Transistor 58 ist eine UND-Schaltung, während der Transistor 61 eine Phasenumkehrstufe darstellt

Wenn man annimmt, daß die Last 10 durch den Schalter abgeschaltet ist so daß z. B. eine angeschlossene Lampe nicht brennt so befindet sich der Triac 15 im Sperrzustand. Die elektronische Schaltung zieht dabei einen sehr geringen Leckstrom aus dem Netz, der jedoch viel zu gering ist um z. B. eine Lampe zum Leuchten zu bringen.

Wird nun durch Betätigung des Sensors die Last 10 eingeschaltet so erhält sie nicht ganz ihre volle Spannung, weil der Triac 15 nicht bereits im Nulldurchgang schaltet sondern erst bei einem Phasenwinkel von etwa 10° nach dem Nulldurchgang. Die ersten Ί0" werden dafür benutzt den Kondensator 23 des Netzteiles 21 aufzuladen, um die Gleichspannungsversorgung des Elektronikteils des Schalters sicherzustellen. Erst danach, wenn die Triac durch Ansprechen des Nulldurchgangs-Komparators 30 über die UND-Schaltung 55 gezündet wurde, wird die Lampe 10 eingeschaltet Es handelt sich also um eine echte Phasenanschnittssteuerung, bei der der Laststrom ohne besondere Maßnahmen nicht rein sinusförmig ist Um störende Oberweilen herauszufiltern, ist das schon erwähnte Filter 20 vorgesehen.

Fig.3 veranschaulicht die Abwandlungen bzw. Vereinfachungen der Schaltung, die sich bei einer Ausführung als Dreidrahtschalter ergeben. Diejenigen Baugruppen, bei denen sich gegenüber der Schaltung nach Fig.2 keine Veränderungen ergeben, sind fortgelassen.

Bei dem Dreidrahtschalter wird ein Leistungstransistor im Gleichspannungsversorgungsteil 21' nicht benötigt. Statt dessen ist zwischen die Diode 26 und die Parallelschaltung aus der Zenerdiode 24 und dem Kondensator 23 ein Widerstand 68 geschaltet, dessen einer Anschluß mit Leitung 28 verbunden ist.

Der Nulldurchgangs-Komparator 30' ist identisch aufgebaut wie der Nulldurchgangs-Komparator 30 nach F i g. 2, jedoch mit der Ausnahme, daß eine Leitung vom Punkt 33 zum Gleichspannungsversorgungsteil nicht vorhanden ist.

Ein weiterer Vorteil dieser Schaltung besteht darin, daß ein Filter, wie es in Fig.2 mit 20 bezeichnet ist, nicht benötigt wird.

Beim Betrieb des Dreidrahtschalters wird der Ladekondensator 23 während der ganzen Dauer jeder zweiten Kalbweüe aufgeladen, und zwar direkt vom Netz her. Nur noch der Triac 15 liegt in Reihe mit der Last, nicht mehr die übrige elektronische Schaltung. Der Spannungsteiler 34, 35 kann nun so eingestellt werden, daß der Triac 15 praktisch im Nulldurchgang der Netzspannung (bei einem Phasenwinkel von etwa 2°) gezündet wird. Aus diesem Grunde kann das Funkentstörfilter entfallen.

Der erfindungsgemäße elektronische Schalter eignet sich auch zur Verwendung in größeren Schaltanlagen, wie beispielsweise bei Saal- oder Treppenhausbeleuchtungen oder in Signalanlagen. Hier braucht lediglich an den verschiedenen Betätigungsstellen ein Sensor 37 angebracht zu werden, dem ggf. noch der Phasenumkehrverstärker 44 nachgeschaltet sein kann. Alle übrigen Teile können an zentraler Stelle angeordnet sein und brauchen für die gesamte Anlage nur einmal vorhanden zu sein. In solchen Fällen ist der Speicher 51 so gestaltet, daß die Kippstufe 52 von mehreren Sensoren in die jeweils andere Kippstellung überführt werden kann.

Entfernt man das Flip-Flop 52 aus der Schaltung und legt man den Kollektor von Transistor 45 direkt an den Emitter von Transistor 58, so spricht der Schalter nicht nur auf die Vorderflanke des Berührungssignals an, sondern gibt ein Ausgangssignal, solange der Sensor betätigt wird. Eine derartige Schaltung wähit man beispielsweise bei Klingelanlagen oder Totmannschaltungen.

Eine weitere günstige Ausführungsform des Schalters bildet der Zweihandschalter. Polt man die Vci\,?r£""2S-anschlüsse an den Leitungen 11 und 18 um, und iegt man auch den Fußpunkt des Sensors 37 (Source-Anschluß von Transistor 38) an eine Berührungsplatte, so spricht der Schalter nur an, wenn die beiden Berührungsplatten hochohmig miteinander verbunden sind. Eine solche gleichzeitig von ein und derselben Person berührt werden. Man hat dann einen Sicherheitsschalter, der nur anspricht, wenn beispielsweise jede der Berührungsplatten von ein und derselben Person mit einer Hand berührt wird.

Ferner besteht die Möglichkeit der Ausbildung als Koinzidenzschalter. Dabei sind mehrere Sensoren an eine dem Flip-Flop 52 vorgeschaltete UND-Schaltung angeschlossen. Die Last kann nur durch gleichzeitiges

ίο Betätigen einer vorbestimmten Anzahl von Sensoren geschaltet werden.

Ersetzt man den Spannungsteiler aus den Widerständen 35 und 36, indem man anstelle des Widerstandes 36 einen Kondensator und anstelle des Widerstandes 35 ein Potentiometer einsetzt, so kann man durch Verstellen des Potentiometers die zum Zünden der Transistoren 31 und 32 notwendige Zeit variieren, in der Weise, wie es von üblichen Helligkeitsstellern her bekannt ist. Man erhält so einen Berührungs-Leistungssteller, bei dem das Schalten durch Berühren oder Näherung geschieht, das Leistungssteuern jedoch durch Verändern des Widerstandswertes am Potentiometer.

In Fig.4 ist das grundsätzliche Blockschaltbild eines elektronischen Berührungsschalters dargestellt, wie er im Rahmen der Erfindung realisiert werden kann. Das Netzteil 21 versorgt den Sensor 37, den Speicher 51 und den Trigger, der beispielsweise aus der UND-Schaltung 55 bestehen kann; ferner ggf. noch den Schalter 15. Es wird aus dem Netz versorgt. Die Versorgungsspannung des Netzes liegt ferner am Schalter 15 und an der Last 10 an.

Zusätzlich kann ein gesonderter Programmteil 90 und ein Hilfssignalerzeuger (z. B. Nulldurchgangskomparator 30) vorgesehen sein, der sich ohne Schwierigkeiten mit in die Schaltung einbauen läßt.

Der Programmteil kann beispielsweise aus einer Verzögerungseinrichtung bestehen, die bewirkt, daß das Licht erst eine bestimmte Zeitlang nach dem Ausschalten erlischt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, daß der Raum noch so lange erleuchtet ist, wie die ausschaltende Person zum Verlassen des Raumes benötigt Ferner lassen sich gewisse Programmabläufe für Maschinensteuerungen festlegen, ohne daß es aufwendiger zusätzlicher Schalteinrichtungen bedürfte.

Alle beschriebenen Schaltvorgänge können auch durch andere Signale als durch Annäherung eines Körpers ausgelöst werden, wenn anstatt eines Näherungssensors 37 andere Sensoren verwandt werden, z. B. solche für Licht, Schall, Feuchtigkeit, Rauch, Wärme, mechanische Spannungen usw. Dabei ist der Phasenumkehrverstärker u. U. durch einen anderen Verstärker zu ersetzen.

Λ/ArKinHiincr wirr) hf»r<rf»ct«*!tt ivpnn

Platten

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Elektronische Schaltungsanordnung zum netzfrequenzsynchronen Schalten eines Wechselstrom-Verbraucherstromkreises unter Verwendung eines Nulldurchgangskomparators, dadurch gekennzeichnet, daß die als Berührungsschalter (37) ausgebildete und mit einer nachfolgenden Speicherstufe (51) od. dgl. versehene Anordnung zusammen mit dem ein Hilfssignal liefernden Nulldurchgangskomparator (30) auf eine UND-Schaltung (55) einwirkt, von welcher die Leistungsstufe (15) gesteuert und dadurch der Verbraucherstromkreis (10) geschaltet wird.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nulldurchgangs-Komparator (30) aus zwei gleichartigen Transistoren (31,32) besteht, deren Kollektoren miteinander verbunden sind, und deren Basen und Emitter wechselseitig zusammengeschaltet sind, wobei die Basis des einen Transistors (31) direkt an einem Potential der Versorgungsspannung liegt, während die Basis des anderen Transistors (32) über einen Spannungsteiler (35,36) an dem anderen Potential der Versorgungsspannung liegt

3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die UND-Schaltung aus einem ein?igen Transistor (58) besteht, bei dem die Eingangssignale, von denen eines invertiert ist, an Basis und Emitter liegen.

4. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Triacs (15) als steuerbaren Halbleiter.

5. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Sensor (37) und UND-Schaltung (Transistor 58) eine binäre Speicherschaltung (Wechsel-Flip-Flop 52) eingeschaltet ist.

6. Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die binäre Speicherschaltung ein Wechsel-Flip-Flop (52) ist, das bei Impulsflanken einer bestimmten Polarität am Eingang den Schaltzustand umkehrt.

7. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor einen hochohmigen Eingang besitzt, der derart ausgebildet ist, daß er auf die beim Annähern eines Körpers übertragene Brummspannung reagiert.

8. Schalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (37) aus einem Feldeffekttransistor (38) besteht, der mit seiner Gate-Elektrode (39) über einen Schutzwiderstand (40) mit einer Tastplatte (41) und über einen weiteren Widerstand (42) mit einem Potential der Versorgungsspannung verbunden ist.

9. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er als Zweidrahtschalter ausgebildet ist, dessen Versorgungsgleichspannung von einem in Reihe mit einem Kondensator (23) an der Versorgungsspannung liegenden Transistor (22) erzeugt wird, dessen Basis mit dem Ausgang (33) des Nulldurchgangs-Komparators verbunden ist, derart, daß der Kondensator im Anfangsbereich einer Halbwelle der Versorgungsspannung so lange aufgeladen wird, bis der Nulldurchgangskomparator durch ein »Lade-Ende«- Signal den Transistor (22) sperrt.

10. Schalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (22) mit wenigstens einer Diode (26) in Reihe liegt.

11. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er als Dreidrahtschalter ausgebildet ist, mit einem Gleichrichterteil (21') zur Gewinnung einer Gleichspannung aus der Versorgungsspannung.

12. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler aus einem

ι ο Potentiometer und einem Kondensator besteht

13. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode (39) und die Source-Elektrode des Feldeffekttransistors (38) jeweils an eine Tastplatte angeschlossen ist, derart, daß der Feldeffekttransistor nur dann durchschaltet, wenn die beiden Elektroden hochohmig miteinander verbunden sind.

14. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sensoren (37) vorgesehen sind, von denen jeder den Leistungsschalter (15) zu öffnen und/oder zu schließen vermag.

15. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Programmteil mit mindestens einem Verzögerungselement enthält

16. Schalter nach einem der vorhergehenden Anspräche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (37) ohne Zwischenschaltung einer Speicherstufe

(51) - ggf. über Verstärker - mit der UND-Schaltung (55) verbunden ist.