DE2420418C3 - Schaltung zum Steuern des statischen Hauptschalters eines Wechselspannungs-Verbraucherkreises nahe den Spannungsnulldurchgängen der Speisewechselspannung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Steuern des tatischen Hauptschalters eines Wechselspannungs-'erbraucherkreises nahe den Spannungsnulldurchgän- ;en der Speisewechselspannung in Abhängigkeit von inem der Steuerelektroden-Kathoden-Strecke eines iilfsthyristors zugeführten Steuersignal, bei welcher die Anoden-Kathoden-Strecke des Hilfsthyristors mit der Steuerschaltung des Hauptschalters verbunden ist und bei gesperrtem Hauptschalter an einer gleichgerichteten Schaltspannung anliegt.

Eine Schaltung dieser Art ist bekannt (DTPS 12 43 721). Bei dieser bekannten Schaltung besteht die Gefahr, daß der Hilfsthyristor durch parasitäre Spannungen, die zwischen Anode und Kathode des Hilfsthyristors auftreten können, oder durch interne Leckströme, die auftreten, wenn der Thyristor zu stark erwärmt wird, obwohl der gewünschte Schaltzeitpunkt in der Nähe der Spannungsnulldurchgänge der Speisewechselspannung noch gar nicht erreicht ist oder obwohl überhaupt kein entsprechendes Steuersignal anliegt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltung dieser Art zu schaffen, bei welcher diese geschilderten Nachteile einer unkontrollierten Einschaltung des Hilfsthyristors vermieden sind.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Schaltung der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der ernndungsgemäßen Schaltung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltung kann der Hilfsthyristor nur dann durchgeschaltet werden, wenn die an dem zusätzlichen Widerstand an der Kathode des Hilfsthyristors anliegende gleichgerichtete Schaltspannung kleiner ist als die anliegende Steuerspannung, also immer nur dann, wenn die Speisewechselspannung nahezu Null ist. Wenn dieser Spannungspunkt erreicht ist, fließt ein Strom durch den Hilfsthyristor und diesen Widerstand. Damit der Strom durch den Hilfsthyristor durch die Größe dieses kathodenseitigen Widerstandes nicht unnötig begrenzt wird, ist noch die zusätzliche Zenerdiode bzw. der anodengesteuerte Thyristor oder ein äquivalenter Unijunction-Transistor vorgesehen. Diese Schaltelemente schließen nach dem Schalten des Hilfstransistors den zusätzlichen Widerstand kurz, und es kann dann ein genügend großer Steuerstrom durch den Hilfstransistor fließen. Bei der erfindungsgemäßen Schaltung wird auf diese Weise vermieden, daß der Hilfsthyristor durch parasitäre Spannungen oder Ströme vorzeitig eingeschaltet wird, und eine erfindungsgemäße Schaltung gewährleistet damit einen wesentlich genaueren definierten Einschaltpunkt für den statischen Hauptschalter im Bereich der Spannungsnulldurchgänge der Speisewechselspannung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer Schaltung zum Steuern des statischen Hauptschalters eines Wechselspannungs-Verbraucherkreises mit einer erfindungsgemäßen Sperrschaltung,

F i g. 2 bis 6 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele für diese Sperrschaltung;

F i g. 7 7.eigt die Anwendung einer erfindungsgemäßen Schaltung bei einer Leistungssteuerschaltung, und

F i g. 8a und 8b zeigen anhand von Diagrammen die Funktionsweise dieser Schaltung nach F i g. 7.

F i g. 1 zeigt das Prinzipschaitbild einer Sieuerscha! tung für einen statischen Hauptschalter mit einer erfindungsgemäßen Sperrschaltung I₁ die anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben wird. Die Sperrschaltung besteht aus einem Hilfsthyristor 2 und einer nachfolgend näher erläuterten Sperrschaltung 3.

Die Eingangsanschlüsse C und A der Schaltung 1 sind mit dem Ausgang einer Koppelschaltuug 13 verbunden, welcher das Steuersignal V, zugeführt wird. Die Anschlüsse B und A der Schaltung 1 sind mit dem Steuereingang eines statischen Hauptschalters 12 verbunden, der den Strom aus der Speisespannungsquelle Va zur Last 14 durchläßt oder unterbricht. An den Anschlüssen B und A der Schaltung 1 liegt die gleichgerichtete Speisewechselspannung V« an.

Nach Fi g. 2 ist der Anschluß Can die Steuerelektrode des Hilfsthyristors 2 über einen Eingangswiderstand Rj angeschaltet Die Anode des Hilfsthyristors 2 ist mit dem Ausgangsanschluß B verbunden. Die Kathode des Thyristors 2 ist mit dem gemeinsamen Anschluß A über einen Widerstand 20 angeschlossen, dem eine Zenerdiode 22 parallel geschaltet ist. Außerdem Jnd die Kathode und die Anode des Thyristors 2 über eine Stromquelle 23, die einen Strom /* liefert, und eine Zenerdiode 21 verbunden. Die Zenerdioden 21 und 22 besitzen Zenerspannungen Vi und V₂. Die Stromquelle 23 und der Widerstand 20 von der Größe Zsind so gewählt, daß die Spannung Zh größer als die Schakspannung V, ist.

Wenn die Spannung V« kleiner als der Schwellwert Vs ist, der in der Nähe der Spannung Vi liegt, ist die Diode 21 nicht leitend, und der Strom Ik kann nicht über den Widerstand 20 fließen. Die Kathodenspannung des Thyristors 2 ist daher Null und jedes Schaltsignal V„ welches an die Steuerelektrode angelegt wird, kann den Thyristor in leitenden Zustand schalten. Der Strom des Thyristors 2 wird von der Zener-Diode 22 abgeleitet, weshalb der von diesem Strom erzeugte Spannungsabfall an den Anschlüssen des Widerstandes 20 größer als die Zener-Spannung V₂ der Zenerdiode 22 ist.

Wenn dagegen V« größer als der Schwellwert V₅ ist, wird die Zener-Diode 21 leitend und läßt den Strom /* passieren, der das Potential der Kathode auf den Wert Zh anhebt, welcher größer als V, ist. Die Steuerelektrode ist nun bezüglich der Kathode negativ und kann nicht durch die Steuerspannung Vi geschaltet werden. Außerdem wird die Steuerung unempfindlich für parasitäre Schalterspannungen aufgrund der Tatsache, daß ein sprunghafter Anstieg der Spannung V_R den Thyristor 2 nicht schalten kann, weil die Kathodenspannung größer als die Steuerspannung bleibt. Die Quelle 23 des Stroms h kann eine Feldeffektivschaltung oder eine beliebige andere bekannte Schaltung zur Erzeugung eines Stromes sein, der weitgehend unabhängig von der Spannung ist.

F i g. 3 zeigt eine andere Ausführungsform, bei welcher die Stromquelle 23 nicht mehr benötigt wird. Die Kathode des Thyristors 2 ist mit dem Abgriff eines Spannungsteilers verbunden, der von den Widerständen 31 und 30 der Werte Z\ und Z₂ gebildet ist, wobei der freie Anschluß des Widerstandes 31 mit dem Eingangsanschluß B und der freie Anschluß des Widerstandes 30 mit dem Eingangsanschluß A verbunden ist. Die Zener-Diode 21 ist bei dieser Schaltung wahlweise möglich. Damit der Hilfsthyristor 2 geschaltet werden kann, ist notwendig, daß

V₁ > V_h

wobei Vk das Potential der Kathode ist und der Beziehung

Es wird daher ein Schalten erreicht, wenn die Spannung Vs kleiner als ein Schwellwert V₅ folgender Größeist:

V. =

Wenn die Zener-Diode 21 nicht vorhanden ist, ist in dieser Beziehung die Größe Vi zu streichen.

ίο In den Ausführungen nach Fig.2 und 3 ist ein Eingangswiderstand /?/in die Leitung zur Steuerelektrode eingeschaltet; denn wenn die Spannungsquelle, welche die Steuerspannung V, bereitstellt, einen sehr geringen inneren Widerstand hat, muß zugelassen

is werden, daß die Steuerspannung über den Wert V₂ ansteigt, wenn der Thyristor leitend wird.

Mit dieser ersten Ausführungsweise nach F i g. 2 und 3 kann der Hauptschalter 12, ein Triac oder ein antiparalleler Thyristor, nur von einem Spannungsnulldurchgang zum anderen ein- oder abgeschaltet werden, wenn die gleichgerichtete Wechsel-Speisespannung Vr einen zum Leitendmachen der Zener-Diode 22 ausreichenden Wert erreicht, d. h. eine Spannung, die der Summe des Wertes V₂ und des Spannungsabfalls des

:s Hilfsthyristors 2 gleich ist.

Um ein Schalten des Hauptschalters bei der Spannung Null oder nahezu Null zu erreichen, ist eine zweite Ausführungsform vorgesehen, von der zwei Varianten in den F i g. 4 und 4 gezeigt sind, und bei der

w die Zener-Diode 22 durch ein Schaltelement mit negativer Charakteristik ersetzt ist, derart, daß die Spannung an den Anschlüssen schlagartig abfällt, sobald dieses Element leitend wird.

Fig.4 zeigt eine erste Variante dieser zweiten

;ö Ausführung. Man findet dort wieder wie bei der Ausführung nach F i g. 3 den Widerstand /?,; den Thyristor 2 mit den beiden Widerständen 31 und 32 der Werte Z\ und Z₂ und die wahlweise vorgesehene Zener-Diode 21. Ein sogenannter anodengesteuerter

•to Thyristor 40 ist mit seiner Kathode mit dem gemeinsamen Anschluß A und mit seiner Anode an die Kathode des Thyristors angeschlossen, wobei der Anodensteueranschluß an den Abgriff des durch die Widerstände 3Ϊ und 32 gebildeten Spannungsteilers

.(s angeschlossen ist. Ein Widerstand 43 ist zwischen der Anode und der Steuerelektrode dieses Thyristors 40 angeordnet. Außerdem ist ein Widerstand Rk zwischen die Kathode und die Steuerelektrode des Thyristors 2 eingeschaltet.

so Wenn die Spannung an den Anschlüssen des Widerstandes 32 kleiner als die Steuerspannung V, ist, d. h., wenn die gleichgerichtete Wechselspannung V« kleiner als

ist, ist die Spannung an der Steuerelektrode des Thyristors 40 kleiner als die Spannung an seiner Anode, und der Thyristor 40 wird leitend. Dadurch wird auch

do der Thyristor 2 leitend. Wenn dagegen die Spannung an den Anschlüssen des Widerstandes 32 größer oder gleich Vj ist, ist der Thyristor 40 gesperrt und der Widerstand 43 führt an die Kathode des Thyristors 2 eine Spannung zu, die ihn sperrt, wie dies bereits

6__s bezüglich der ersten Ausführung oben erläutert ist. Ein Widerstand Rk kann zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des Thyristors 2 eingefügt sein, der mit dem Widerstand 43 einen Spannungsteiler bildet,

welcher die Steuerstrecke des Thyristors 2 daran hindert, in einen zu stark invers polarisierten Zustand zu gelangen.

Der anodengesteuerte Thyristor 40 kann durch ein anderes ähnliches Element ersetzt werden, z. B. durch einen Unijunction-Transistor.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen erreicht man ein Sperren des Thyristors 2 durch inverse Polarisierung der Steuerstrecke, indem man eine Sperrspannung an die Kathode zurückführt. Die durch die Anwesenheit einer großen Impedanz auf die Kathode des Thyristors 2 bewirkte Sperrung ist in vielen Fällen ausreichend. Es ist jedoch möglich, eine abgewandelte Ausführungsform vorzusehen, wie sie in F i g. 5 gezeigt ist.

Gemäß Fig.5 ist der Thyristor 2 mit einem anodengesteuerten Thyristor 40 in Reihe geschaltet, wie bei der Ausführung nach F i g. 4. Im Spannungsteiler, der durch die Widerstände 51 und 52 der Größen Z\ und Z₂ gebildet ist, kann der Widerstand 51 den Wert Null haben, und eine Diode 50 ist zwischen die Anodensteuerelektrode des Thyristors 40 und den Verbindungspunkt der Widerstände 51 und 52 eingeschaltet. Man erhält so eine Schwellspannung V₅ entsprechend der Beziehung

V= I^

Für den Fall Z, = 0 erhält man

V₅= V₁ -3 V₁.

Es sind im Rahmen der Erfindung zahlreiche Varianten möglich, die dem Fachmann auf der Hand liegen. Insbesondere kann, wie dies wohl bekannt ist, die Steuerung zwischen den Anschlüssen C und A durch eine Wechselspannung erfolgen. Bei einer speziellen Ausführung kann das Schaltsignal an der Steuerelektrode des Thyristors 2 durch Strahlungsenergie in Form thermischer, elektromagnetischer oder Lichtenergie zugeführt werden. Wenn der Thyristor 2 ein Photothyristor ist, ist das Schaltsignal ein Lichtstrahl, der von einem Lichtemitter ausgeht, welcher optisch mit der Steuerelektrode gekuppelt ist.

In diesem Fall ist, wie schematisch in F i g. 6 dargestellt ist, die Steuerelektrode mit dem gemeinsamen Anschluß A durch einen Widerstand 60 kleinerer Größe als die Impedanz der Blockierschaltung 3, die zwischen die Kathode und diesen Anschluß A geschaltet ist, verbunden.

Es ist bekannt, daß durch Steuern eines statischen Schalters durch periodische Signale variabler Dauer eine Leistungssteuerung durchgeführt werden kann. In F i g. 7 ist eine spezielle Ausführungsform einer solchen Leistungssteuerung beschrieben, bei der eine Steuerschaltung gemäß der Erfindung angewendet ist. Die

ίο Elemente 14,12 und 1 wie auch die Spannungen V_a und Vr sind identisch den Elementen und Spannungen, welche in F i g. 1 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Die Steuerspannung wird zwischen den Anschlüssen Cund A über eine Schaltung angelegt, welche einen

is Widerstand 70 in Parallelschaltung zwischen den Anschlüssen C und A, eine Zener-Diode 71 und eine Kapazität 72 in Reihe sowie ebenfalls in Parallelschaltung zwischen den Anschlüssen C und A aufweist. Der Verbindungspunkt zwischen der Zenerdiode 71 und der

ίο Kapazität 72 ist mit dem Anschluß B über eine Schaltung verbunden, die einen variablen Widerstand und parallel dazu eine Reihenschaltung eines Widerstandes 74 und einer Diode 75 umfaßt. F i g. 8a zeigt die Spannung Vr in Abhängigkeit von der Zeit und F i g. 8b die Spannung Vo an den Anschlüssen der Kapazität 72 der Größe Q in Abhängigkeit von der Zeit, wobei V₄ die Zener-Spannung der Diode 71 ist.

Wenn beim Nulldurchgang die Kapazität 72 entladen ist, lädt sie sich progressiv über den variablen Widerstand 73 bei jeder Halbwelle der gleichgerichteten Wechselspannung Vr auf. Wenn die Spannung Va größer als die Schwellspannung V₄ der Zenerdiode 71 wird, kann die Schaltung 1 durcngeschaltet werden und wird am Ende der Halbwelle geschaltet, für welche die Spannung V_CT größer als die Zener-Spannung V* geworden ist, wie das vorher erläutert worden ist. Infolgedessen wird der statische Schalter mittels der Schaltung 1 für eine Halbwelle eingeschaltet und der Vorgang beginnt aufs Neue. Wenn so alle η Halbwellen gesteuert werden, wird die durch die Last 14 fließende Leistung l/n der Leistung, welche ohne statischen Schalter durchfließen würde. Der Wert η hängt von dei Wahl des Belastungswiderstandes 73 ab. Der Wider stand 74 und die Diode 75 sind dazu bestimmt, di<

4s Kapazität 72 nach Einschalten des Steuerkreises zi entladen.

Hierzu 3 Ulatl Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schaltung zum Steuern des statischen Hauptschalters eines Wechselspannungs-Verbraucherkreises nahe den Spannungsnulldurchgängen der Speisewechselspannung in Abhängigkeit von einem der Steuerelektroden-Kathoden-Strecke eines Hilfsthyristors zugeführten Steuersignals, bei welcher die Anoden-Kathoden-Strecke des Hilfsthyristors mit der Steuerschaltung des Hauptschalters verbunden ist und bei gesperrtem Hauptschalter an einer gleichgerichteten Schaltspannung anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der gleichgerichteten Schaltspannung (Vr) über den Abgriff eines Spannungsteilers, der aus einer Koppelschaltung (21, 23; 31; 51) und einem Widerstand (20; 30; 32; 52) besteht, an der Kathode des Hilfsthyristors (2) anliegt und daß in Reihe zur Anoden-Kathoden-Strecke dieses Hilfsthyristors (2) an dessen Kathode eine bei eingeschalteten Hilfsthyristor (2) den Spannungsteilerwiderstand (20; 30) überbrückende Zener-Diode (22) geschaltet ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelschaltung aus einer Stromquelle (23) und einer damit in Reihe geschalteten Zener-Diode (21) besteht.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelschaltung aus einem zwischen Anode und Kathode des Hilfsthyristors (2) geschalteten Widerstand (31; 51) besteht.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Zener-Diode (22) ein anodengesteuerter Thyristor (40) angeordnet ist, dessen Anode an der Kathode des Hilfsthyristors (2) und dessen Steuerelektroden-Kathoden-Strecke an den Abgriff des Spannungsteilers (31,32) angeschaltet ist und daß zwischen der Anode und der Steuerelektrode des anodengesteuerten Thyristors (40) ein weiterer Widerstand (43) geschaltet ist.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des anodengesteuerten Thyristors ein Unijunction-Transistor verwendet wird.

6. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem weiteren Widerstand (43) und dem Abgriff des Spannungsteilers (51, 52) eine Diode (50) geschaltet ist und der zwischen Anode und Kathode des Hilfsthyristors (2) geschaltete Spannungsteilerwiderstand (51) sehr klein oder Null ist.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsthyristor ein in Abhängigkeit von einem optischen Steuersignal steuerbarer Photothyristor ist, dessen Steuerelektrode über einen Widerstand (60) an den gemeinsamen Bezugspunkt (A)der Schaltung angeschlossen ist.