DE2403097C3 - Gleichspannungsgesteuerte Triggerschaltung für eine n Triac - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine gleichspannungsgesteuerte Triggerschaltung gern?*, dem Oberbegriff des Anspruchs. Eine solche Triggerschaltung ist durch die DE-AS 20 55 932 bekannt.

Zur Leistungssteuerung von Verbrauchern an Wechselstromnetzen werden in zunehmendem Maße Triacs eingesetzt. Triacs erlauben den Vollwellenbetrieb der Verbraucher mit Phasenanschnitt auf einfachste Art, da nur ein Leistungsbauelement benötigt wird. An einem bestimmten Winkel jeder Halbwelle muß dabei der Triac gezündet werden.

Schaltungen, die zur Zündung des Triacs geeignete Zündimpulse erzeugen, sind in großer Zahl bekannt und erfordern einen unterschiedlichen Aufwand an Bauelementen. Eine weit verbreitete, sehr einfache Anordnung ist in der Figur rechts der gestrichelten Linie dargestellt. Über einen Widerstand wird ein Kondensator geladen, und ab einer bestimmten Ladespannung zündet die Triggerdiode den Triac. Der Zündwinkel wird dadurch verstellt, daß der Widerstand als variabler Widerstand ausgeführt ist. Bei Schaltungen, die nicht unmittelbar von der Hand bedient, sondern durch eine elektrische Größe, Spannung oder Strom, verändert werden sollen, ergeben sich folgende Schwierigkeiten: Die als Widerstand erforderlichen kontinuierlich steuerbaren unipolaren Widerstände sind unter den Elektronikbauteilcn nicht zahlreich vertreten. Es bieten sich Fotowiderstand oder Feldplatte an. Beide sind nicht direkt durch eine Spannung oder einen Strom steuerbar, sondern nur über den Umweg des Lichts bzw. des Magnetismus als sogenannte optoelektronische oder magnetische Koppler ausgeführt, was den Aufwand der Schaltung unnötig erhöht. Als kontinuierlich steuerbares polares Bauelement werden auch Transistoren in Diodenbrückenschaltungen als veränderliche Widerstände eingesetzt. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß der Emitter des Transistors als Bezugspunkt für die steuernde Größe U oder / mit keinem übrigen Punkt der Schaltung galvanisch eindeutig verbunden ist. Dies führt zu Potentialschwierigkeiten in der weiteren Schaltungsauslegung. Wenn eine hohe Spannung, z. B, die Netzspannung von 220 Volt, geregelt werden soll, so liegt an dem veränderlichen Widerstand eine hohe Spannung. Feldplatten können hier überhaupt nicht, unter den Fotowiderständen und Transistoren nur einige wenige

ίο teure Typen verwendet werden. Es sind selbstverständlich auch Schaltungen bekannt, die Zündimpulse liefern und direkt von einer elektrischen Spannung oder einem elektrischen Strom gesteuert werden können. Diese haben jedoch gegenüber der bekannten verbreiteten Schaltung einen beträchtlich höheren Aufwand.

Aus der DE-AS 20 55 932 ist eine Wechselstromsteuervorrichtung bekannt, die einen Triac mit einem Zünd-Diac aufweist, der an einen Spannungsteiler angeschlossen ist, der aus einem Widerstand und einem Zündkondensator gebildet wird. Dem Zündkondensator ist wiederum die Reihenschaltung eines weiteren Kondensators und eines Regelelementes parallelgeschaltet und dem Regelelement wiederum die Reihenschaltung zweier Widerstände parallelgeschaltet, wobei der Steuereingang des Regelelementes mit dem Abgriff des aus den Widerständen bestehenden Spannungsteilers verbunden ist. Die bekannte Schaltungsanordnung hat jedoch den Nachteil, daß das Regelelement relativ kompliziert aufgebaut ist, denn es besteht aus zwei

jo miteinander parai'clgeschalteten Zweigen, die je durch einen Transistor und eine mit diesem reihengeschaltete Diode gebildet sind. Darüber hinaus können bei der bekannten Schaltung nicht beliebige Steuerspannungen, insbesondere keine externen Steuerspannungen, verwendet werden, da der aus den Widerständen bestehende Spannungsteiler an eine aus der Wechselstromsteuervorrichtung selbst abgeleitete Spannung angeschlossen ist.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine gleichspannungsgesteuerte Triggerschaltung für einen Triac anzugeben, bei der eine beliebige externe Steuerspannung Verwendung finden kann und die überdies in ihrem Aufbau einfach und damit kostengünstig zu fertigen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei sehr geringem Bautcileaufwand ein Triac direkt durch eine Gleichspannung kontinuierlich gesteuert werden kann. Durch Verwendung eines Feldeffekttransistors erfolgt die Steuerung praktisch leistungslos, da der Eingangswiderstand sehr hochohmig ist. Durch den hochohmigen Gleichspannungseingang wirkt die Schaltung auch als Bindeglied zwischen einem Gleich- und einem Wechselstromkreis in Reglerschaltungen. Die Steuerung erfolgt sehr linear über nahezu den gesamten Phasenwinkelbereich zwischen 0 und 180 Grad. Die Steuerung kann hochohmig gewählt werden. Der Phasenanschnitt der Halbwellen ist sehr gleichmäßig. Für die praktische Verwertbarkeit der Schaltung ist es weiterhin von Bedeutung, daß ein Steuerspannungsanschluß mit einer Anode des Triac galvanisch verbunden ist.

h5 Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Rechts der gestrichelten Linie durch das Schaltbild

des Ausführungsbeispiels ist die bisher bekannte, verbreiterte Anordnung zur Phasenanschnittsteuerung durch einen Triac gezeigt Eine Netzspannung Un liegt an zwei Klemmen 10, 11 an, die über einen Lastwiderstand 12, bzw. Verbraucher, und die Schalt- ϊ strecke eines Triacs 13 miteinander verbunden sind. Der Triac 13 wird durch die Reihenschaltung eines Ladewiderstandes 14 mit einem Ladekondensator 15 überbrückt D^r Verknüpfungspunkt der Bauteile 14,15 ist sowohl über eine Triggerdiode 16 mit dem Gate des Triac 13, wie auch über die Reihenschaltung eines zweiten Ladekondensators 17 mit der Drain-Source-Strecke eines N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistors 18 (FET) mit der KJemme 11 verbunden. Parallel zum Kanal des Feldeffekttransistors 18 ist ein aus zwei Widerständen 19, 20 bestehender Spannungsteiler geschaltet Das Gate des Feldeffekttransistors 18 ist sowohl über einen Kondensator 21 mit dem Abgriff des Spannungsteilers 19, 20, wie auch über einen Eingangswiderstand 22 mit einer Klemme 23 verbunden. Die Steuergieichspannung Us iiegi zwischen den Klemmen 23 und 24, wobei die Klemme 24 mit der Kiemme 11 verbunden ist. Der Spannungsteiler 19, 20 bildet zusammen mit dem Kanal des Feldeffekttransistors 18 eine Brückenschaltung. Die Widerstände 19, 20 sind so dimensioniert, daß sich bei einem symmetrischen Feldeffekttransistor mit spannungslosem Gate mit der Kanalmitte eine abgeglichene Brückenschaltung ergibt.

Im folgenden ist zunächst die Wirkungsweise des rechts der gestrichelten Linie dargestellten bekannten Teils der Schaltung beschrieben. In der Sperrphase des Triacs 13, d. h. zu Beginn jeder Netzhalbwelle, wird der Ladekondensator 15 über den Ladewiderstand 14 geladen. Erreicht die Kondensatorspannung die Durchbruchspannung der Triggerdiode 16, dann wird diese schlagartig leitend und liefert einen Zündimpuls an das Gate des Triacs 13. Durch den nun leitenden Triac 13 verschwindet die Netzhalbwelle an der Zündschaltung. Der Kondensator 15 wird zunächst über die Triggerdiode 16, danach über den Widerstand 14 und den Triac 13 nahezu vollständig entladen. Mit Beginn der nächsten Netzhalbwelle, bei der der Triac 13 wieder in die Sperrphase übergeht, wiederholt sich der Vorgang mit umgekehrter Polarität. Bei der bekannten Schaltung ist der Widerstand 14 variabel und es können damit unterschiedliche Ladegeschwindigkeiten für den Kondensator 15 und damit variable Phasenanschnittswinkel eingestellt werden.

In der vorliegenden Schaltung ist der Widerstand 14 konstant und liefert einen durch den Widerstand unveränderlichen Ladestrom. Die unterschiedliche Ladegeschwrndigkeit und damit die Veränderung des Zündzeitpunkts wird durch den zweiten Ladekondensator 17 erreicht. Bei hinreichend kleinen Strömen unterhalb des Pinch-Off-Effekts stellt die Drain-Source-Strecke des FET 18 einen unipolaren, steuerbaren ohm'schen Widerstand dar. Bei spannungslosem Gate des FET 18 ist dieser Widerstand sehr niederohmig, Die beiden Ladekondensatoren 17₍ 15 sind damit parallelgeschaltet und der Ladestrom durch den Widerstand 14 verteilt sich auf beide Kondensatoren 15, 17. Dadurch wird der Ladevorgang verlangsamt und es ergeben sich kleine Stromflußwinkel, Bei hohen Gatespannungen ist der Kanalwiderstand praktisch unendlich und damit der Ladekondensator 15 allein wirksam. Die Ladegesrhwindigkeit wird erhöht und es ergeben sich große Stromflußwinkel. Durch kontinuierliche Veränderung der Gatespannung wird der Kanalwiderstand stetig gesteuert Dadurch kann bei geeigneter Dimensionierung der Kondensatoren 15, 17 nahezu der gesamte Stromflußwinkelbereich kontinuierlich zwischen 0 Grad und 180 Grad überstrichen werden.

Bei einem symmetrisch aufgebautem Feldeffekttransistor kann der Kanalwiderstand in derselben Weise sowohl durch eine Gate-Source- ;.\ auch durch eine gleich große Gate-Drain-Spannung gesteuert werden. In der vorliegenden Schaltungsanordnung ist ein jeweils gleich großer Kanalwiderstandswert in jeder Halbweile erforderlich, wenn beide Stromflußwinkel in jeder Vollweüe der Netzspannung gleich groß sein sollen. Da die Polarität der Drain-Source-Spannung in jeder Halbwelle wechselt, ist eine direkte Einspeisung der Steuerspannung zwischen Gate und Source nicht möglich. Die negative Spannung des Gate gegenüber dem Drain-Source-Kanal, insbesondere gegenüber der Kanalmitte, würde bei positiver Drain wesentlich höher als bei negativer. Damit wäre die Steuerung des Feldeffekttransistors in den Halbwellen ungleich. Gleiche Kanalwiderstandswerte in den Halbwellen erhält man, wenn die Steuerspannung symmetrisch gegenüber Drain und Source eingespeist wird. Die symmetrische Einspeisung wird erreicht, indem die Steuergleichspannung Us über den Widerstand 22 dem Speicherkondensator 21 zugeführt wird. Wird die Zeitkonstante T — R 22 ■ C21 groß gegenüber der Ncizperiodenzeit gemacht, dann ist aufgrund der Einspeisung der Steuerspannung auf den im abgeglichenen Brückenzweig liegenden Speicherkorjdensator 21 die Spannung des Gate gegenüber der Kanalmitte in jedem Augenblick einer Netzperiode gleich groß. Damit ist die wechselnde Polarität der Drain-Source-Spannung ohne Einfluß auf die Steuerung des Feldeffekttransistors 18. Es ergeben sich jeweils gleiche Kanalwiderstandswerte und Stromflußwinkel unabhängig von der betreffenden Netzhalbwelle.

Soll Ttatt mit einer negativen Steuerspannung mit einer positiven gesteuert werden, so ist statt eines N-Knnal-Feldeffekttransistors ein P-Kanal-Feldeffekttransistor zu wählen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Gleichspannungsgesteuerte Triggerschaltung für einen Triac (13), mit einer an die speisende Netzspannung (Un) angeschlossenen Reihenschaltung eines Widerstandes (14) mit einem ersten Kondensator (15) und mit einer Triggerdiode (16), über die die Kondensatorspannung dem Gate des Triacs (13) zuführbar ist, wobei parallel zum ersten Kondensator (15) die Reihenschaltung eines zweiten Kondensators (17) mit der Laststrecke eines Transistors (18) vorgesehen ist, wobei dieser Laststrecke wiederum ein Spannungsteiler (19, 20) parallelgeschaltet ist und beide die Längszweige ainer abgeglichenen Brückenschaltung bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor ein Feldeffekttransistor (18) ist, dessen Drain-Source-Kanal als Laststrecke den einen Längszweig der Brückenschaltung bildet, daß im Querzweig der Brückenscfcajtung zwischen Spannungsteilerabgriff und Gate des Feldeffekttransistors (18) ein dritter Kondensator (21) vorgesehen ist und daß der eine Anschluß einer Steuergleichspannungsquelle mit dem Verbindungspunkt von drittem Kondensator (21) und Gate des Feldeffekttransistors (18) und der andere Anschluß der Steuergleichspannungsquelle galvanisch mit der Anode des Triacs (13) verbunden ist.