DE2429763B2

DE2429763B2 - Schaltungsanordnung zur gesteuerten Speisung einer Last aus einem Wechselstromnetz

Info

Publication number: DE2429763B2
Application number: DE19742429763
Authority: DE
Inventors: Karl-Wilhelm Dipl.-Ing. 5880 Luedenscheid Dugge
Original assignee: Insta Elektro GmbH and Co KG
Current assignee: Insta Elektro GmbH and Co KG
Priority date: 1974-06-21
Filing date: 1974-06-21
Publication date: 1978-04-27
Also published as: DE2429763C3; DE2429763A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur gesteuerten Speisung einer Last aus einem Wechselstromnetz durch in jeder Halbwelle erfolgende Phasenanschnittsteuerung mit einem Triac im Lastkreis und einem parallel zu dem Triac liegenden ÄC-Netzwerk mit einem Festwiderstand und einem über einen Diac mit der Steuerelektrode des Triacs verbundenen Kondensator, zu dem ein Transistor als elektronisch steuerbarer Widerstand über eine Zweiweg-Gleichrichterschaltung parallel geschaltet ist.

Solche Schaltungsanordnungen sind bekannt (FR-PS 21 53 991, DE-AS 19 50 518). Mit einer solchen Schaltungsanordnung kann z. B. die Helligkeit einer Glühlampe oder die Drehzahl eines Motors gesteuert werden. Bei den bekannten Schaltungsanordnungen ist hierzu der zu dem Kondensator parallelgeschaltete, als elektronisch steuerbarer Widerstand dienende bipolare Transistor entsprechend anzusteuern, womit sich der Stromflußwinkel und damit der Strom-Effektivwert verstellen läßt

Mit dem Vordringen von elektronischen Annäherungs- und Berührungsschaltern, vornehmlich in dem Bereich der elektrischen Hausinstallationen, entstand der Wunsch, auch die vorstehende Schaltungsanordnung dem Sensorprinzip anzupassen. Das heißt, daß es z. B. zur Einstellung einer bestimmten gewünschten Beleuchtungsstärke einer Lichtinstallation, insbesondere Glühlampe, mittels einer üblicherweise als Dimmer bezeichneten bekannten Helligkeitssteuerung nicht länger nötig sein soll, einen Potentiometer-Betätigungsknopf zu verstellen, sondern daß analog der Betätigung eines elektronischen Annäherungs- und Berührungsschalters zur Helligkeitseinstellung die bloße, entsprecnend der gewünschten Helligkeit mehr oder weniger langanhaltende Berührung einer üblicherweise in die Wand eingelassenen Sensorfläche ausreichen soll.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art mit relativ geringem preislichem und volumenmäßigem Bauelementeaufwand eine Steuerung durch Betätigung nach dem Sensorprinzüp zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Transistor ein Feldeffekt-Transistor ist, daß zwischen Gate und Drain des Feldeffekt-Transistors ein Speicherkondensator liegt und daß das Gate des Feldeffekt-Transistors über mindestens eine als hochohmiger Trennschalter wirksame Glimmlampe und über zwei Widerstände mit zwei Betätigungsplatten verbunden ist, durch deren Berührung der Anschnittwinkel in beiden Richtungen verstellbar ist, wobei in dem Stromweg zwischen jeder Betätigungsplatte und dem Speieberkondensator je eine Gleichrichteranordnung derart vorgesehen ist, daß dem Speicherkondensator bei Berührung der einen Betätigungsplatte ein gleichgerichteter Strom in der einen Laderichtung und bei Berührung der anderen Betätigungsplatte ein gleichgerichteter Strom in der entgegengesetzten Laderichtung zugeführt wird.

Durch die DE-AS 17 63 459 ist es bei einer Fernsteuerung mit Wechselspannungssignalen unterschiedlicher Frequenz an sich bekannt, zwischen Gate

und Source eines MOS-Feldeffekt-Transistors einen Speicherkondensator anzuschließen und das Gate über eine als hochohmiger Trennschalter wirksame Glimmlampe mit entgegengesetzt gerichteten Dioden zu verbinden, die jeweils mit einem Widerstand in Reihe an > wahlweise eine Spannung abgebbaren Wechselspannungsquellen liegen.

Durch die US-PS 33 73 295 ist es bei einem Speicherelement mit einem Feldeffekt-Transistor und einem steuerseitig angeordneten, mit einem Auf- oder ι» Entladestrsm beaufschlagbaren Speicherkondensator an sich bekannt, den Speicherkondensator zwischen Gate und Drain zu schalten. Durch diese Anschaltung ergibt sich bei gleichem Isolationswiderstand und gleicher Kapazität eine um den Verstärkungsfaktor des ι "> Feldeffekt-Transistors höhere Zeitkonstante, die um mehrere Größenordnungen höher liegt als beim Anschluß des Speicherkondensators zwischen Gate und Source.

Durch die erfindungsgemäße Anschaltung des ->< > Speicherkondensators zwischen Gate und Drain des Feldeffekt-Transistors ist es also möglich, einen kleinen Kondensator zu verwenden, was insbesondere bei Installationsgeräten wesentlich ist, die wegen Platzmangel nur den Einsatz räumlich kleiner Bauelemente r< gestatten, und auf extreme Isolationsgüte zu verzichten, wodurch einfach handhabbare unempfindliche und preisgünstige Junction-Feldeffekt-Transistoren verwendet werden können.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist )» dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zum Feldeffekttransistor ein Source-Widerstand angeordnet ist, daß die Gleichrichteranordnung aus zwei, einerseits an die Verbindungspunkte zwischen den Glimmlampen und den zugehörigen Widerständen angeschlossenen Dio- π den besteht, von denen diejenige Diode, die zu dem den Feldeffektransistor in die Sperrung steuernden Betätigungsstromkreis gehört, andererseits über die Kollektor-Emitterstrecke eines bipolaren Transistors mit dem von dem Feldeffekttransistor abgewandten Anschluß ·»·> des Source-Widerstandes verbunden und von denen die andere Diode andererseits direkt mit dem von dem Feldeffekttransistor abgewandten Anschluß des Source-Widerstandes verbunden ist, und daß die Basis-Emitterstrecke des bipolaren Transistors parallel zum ■»> Source-Widerstand liegt, wobei die Basis des bipolaren Transistors an die Source des Feldeffekttransistors angeschlossen ist, derart, daß der Speicherkondensator nur so weit negativ aufgeladen werden kann, daß der Feldeffekttransistor gerade sperrt vi

Durch die vorstehend genannte Schutzschaltung, die als Regelkreis geschaltet ist, kompensieren sich Transistoren- und Glimmlampenexemplarstreuungen selbsttätig aus, wodurch einerseits ein perfekter Transistorschutz erreicht wird und andererseits gewähr- "">■"> leistet ist, daß bei versehentlich zu langer Berührung der einer Laststromerhöhung zugeordneten Betätigungsplatte keine Übersteuerung, d. h. zu hohe Spannung, am Speicherkondensator auftritt Es muß deshalb anschließend beim Heruntersteuern die andere Betätigungsplat- m> te nicht ebensolange betätigt werden, sondern der Steuervorgang setzt sofort ein.

Eine ähnliche Schaltung zur Begrenzung eines Spannungspegels an dem mit einem Speicherkondensator verbundenen Gate eines Feldeffekttransistors ist in hi der DE-AS 24 45 116 vorgeschlagen worden. Hier wird die an einem Source-Widerstand abfallende Spannung dazu benutzt, zwei den beiden Verstellrichtungen zugeordnete bipolare Transistoren derart zu steuern, daß die dem Gate des Feldeffekttransistors zugeführten Spannungen unterschiedlicher Polarität über die bipolaren Transistoren abgeleitet werden, sobald der Spannungspegel der am Source-Widerstand abgegriffenen, zu verstellenden Ausgangsspannung einen maximalen oder minimalen Pegel überschreitet, wobei die beiden Pegel durch zwei Hilfsspannungen vorgegeben sind. Der Feldeffekttransistor wird demnach immer in einem Zustand der Leitfähigkeit gehalten. Dagegen geht es bei der obengenannten Weiterbildung der Erfindung darum, daß der Speicherkondensator nur so weit aufgeladen werden kann, daß der Feldeffekttransistor gerade sperrt

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Es zeigt

F i g. 1 das Schaltschema eines Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung und

F i g. 2 das Schaltschema eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung.

Im Schaltschema nach F i g. 1 der Zeichnung liegt am Netz, dessen Nulleiter mit N und dessen Phase mit P' bezeichnet ist, eine Last L, z. B. eine Glühlampe, in Reihe mit einem Triac Tr, zu dem eine Widerstand-Λι-Zündkondensator-Ci-Reihenschaltung parallel geschaltet ist Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R\ und Zündkondensator C\ liegt über einen Diac Di an der Steuerelektrode des Triac. Ein Feldeffekt-Transistor 71 ist dabei über eine Reihenschaltung eines Kondensators Ci mit zwei Dioden Di, Di an den Zündkondensator Ci gekoppelt.

Durch eine Steuerspannungsquelle, als die ein zwischen Gate und Drain des Feldeffekt-Transistors Ti geschalteter Speicherkondensator C₃ dient, läßt sich der Feldeffekt-Transistor T\ kontinuierlich vom völlig gesperrten bis zum voll durchgeschalteten Zustand steuern, wobei bei gesperrtem Feldeffekt-Transistor der Stromfluß durch den Kondensator Ci unterbrochen ist und folglich der gesamte vom Versorgungsnetz über den Widerstand R\ gelieferte Strom zum Laden des Zündkondensators Ci zur Verfügung steht, so daß die Diac-Durchbruchspannung verhältnismäßig rasch erreicht, d. h. der Triac mit nur kurzer Verzögerung nach dem Laststrom-Nulldurchgang gezündet wird. Hierdurch wird ein großer Stromflußwinkel und damit ein hoher Laststrom-Effektivwert erzielt Mit zunehmender Durchsteuerung des Feldeffekt-Transistors Ti nimmt der durch den Kondensator C₂ fließende Strom zu, und daher der zum Aufladen des Zündkondensators Ci verbleibende Strom entsprechend ab, wodurch der Zündzeitpunkt des Triac Tr zu späteren Zeiten innerhalb der Netzspannungshalbwelle verschoben wird und damit der Effektivwert des durch die Last L, z. B. Glühlampe, fließenden Stromes abnimmt

Die Werte des Widerstandes R\ und des Kondensators Ci sind so gewählt, daß bei voll durchgesteuertem Transistor parallelgeschalteten Kondensatoren Ct und Ci nicht mehr die Diac-Durchbruchspannung erreicht, so daß der Triac nicht mehr gezündet und daher die Last L abgeschaltet wird.

Das Gate des Feldeffekt-Transistors T₁ ist über eine Glimmlampe L\ mit entgegengesetzt gerichteten Dioden D₃, ß» verbunden, die jeweils mit einem Widerstand R] bzw. /?2 und einer Sensorfläche, die im folgenden als Betätigungsplatte B\ bzw. Bi bezeichnet ist, in Reihe liegen. Die Aufladung des Speicherkondensators Cj und

damit die Sperrung des Feldeffekt-Transistors 7Ί erfolgt durch Berühren der Betätigungsplatte B₂, wobei der Ladestrom von der Netzphase P' durch den Speicherkondensator C₃, die Diode D₃, den Schutzwiderstand R₃, durch den die Stromwerte auf ungefährliche Werte für den Berührenden gemindert werden, und den Übergangswiderstand Ra des die Betätigungsplatte Berührenden nach Erde fließt. Die Entladung des Speicherkondensators C₃ und damit Durchsteuerung des Feldeffekt-Transistors Γι samt den vorstehend bereits erläuterten Folgen, z. B. hinsichtlich der Helligkeitssteuerung einer Glühlampe, erfolgt durch Berührung der Betätigungsplatte B\.

Da der Isolationswiderstand der Betägigungsplatten B\ und Bi nicht unendlich groß ist, ist als sehr hochohmiger Trennschalter die handelsübliche Glimmlampe L\ zwischen dem Speicherkondensator C₃ und den Betätigungsplatten Bt, B₂ vorgesehen. Trotz gegebenenfalls schlechter Isolation der Betätigungsplatten Bt, B₂ bleibt die Spannung an den mit A₄ und A₅ bezeichneten und in Reihe mit den Widerständen R₂ und A3 geschalteten Widerständen jeweils unterhalb der Zündspannung der Glimmlampe Lt, so daß die Ladung des Speicherkondensators C₃ nicht über die Isolationswiderstände der Betätigungsplatten abfließen kann. Erst der zusätzliche Übergangswiderstand des Benutzers läßt die Glimmlampe Li zünden und gestattet so die Veränderung der Ladung des Speicherkondensators C₃ und damit eine Veränderung der Sollwertvorgabe. Durch entsprechende Bemessung der Spannungsteiler R₂-Ra bzw. R₃-Rs ist die Ansprechempfindlichkeit der Schaltungsanordnung einstellbar.

Das Ausführungsbeispiel gemäß dem Schaltschema nach F i g. 2 sieht im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 als sehr hochohmige Trennschalter zwei handelsübliche Glimmlampen Li und L₂ zwischen dem Speicherkondensator C₃, der wiederum als Miller-Kapazität zwischen Gate und Drain des Feldeffekt-Transistors Ti geschaltet ist, und den Betätigungsplalten Si bzw. B₂ vor. Weiterhin sieht diese Schaltungsanordnung einen Bipolar-Transistor T₂ vor, der das unerwünschte Aufladen des Speicherkondensators C₃ über den Punkt der völligen Sperrung des Feldeffekt-Transistors Ti hinaus verhindert. Während des durchgesteuerten Zustandes des Feldeffekt-Transistors Γι steht an einem Source-Widerstand Ri, der zur Basis-Emitter-Strecke des Bipolar-Transistors T₂ parallel geschaltet ist, eine durch einen Siebkondensator Q geglättete Gleichspannung. Diese Gleichspannung steuert wiederum den Bipolar-Transistor T₂ durch, so daß über die zwischen die Glimmlampe Li und den Kollektor des Bipolar-Transistors T₂ geschaltete Diode D₃ und der Bipolar-Transistor T₂ eine Gleichrichtung der über die

ο Betägigungsplatte Bi eingegebenen Steuerspannung erfolgt derart, daß der Speicherkondensator C₃ bein Berühren der Betätungsplatte B, negativ aufgelader wird bis zur völligen Sperrung des Feldeffekt-Transi stors Γι. Bei völliger Sperrung des Feldeffekt-Transi

κι stors Γι sperrt auch der Bipolar-Transistor Ti, wodurcr die Gleichrichtung durch die Diode D₃ unterbleibt unc der Speicherkondensator C₃ mit einer Wechselspan nung beaufschlagt wird, seinen Gleichspannungswen also nicht weiter ändert

r> Eine Begrenzung der Steuerspannung am Speicher kondensator C₃ in umgekehrter Richtung, d.h. ein« Begrenzung des voll durchgesteuerten Feldeffekt-Tran sistors Γι erfolgt über die Gate-Source-Diode de! Feldeffekt-Transistors Γι, die leitend wird, sobald da!

2» Gate gegenüber Source positiv wird.

Durch die beiden vorstehend genannten Maßnahmer erfolgt in einfacher Weise eine Begrenzung des Arbeitsbereiches der Steuerspannung am Speicherkon densator C₃, die sich selbsttätig an die in weiter

2^r> Grenzen streuenden Daten des jeweiligen Feldeffekt Transistors Γι anpaßt, da sie von diesem Transistoi selbst gesteuert wird.

Zusätzlich enthält die Schaltungsanordnung nach Fig.2 hinlänglich bekannte und daher nicht nähei

j» erläuterte Maßnahmen zur Funkentstörung (Drossel Di Kondensator Cs), eine Sicherung S zum Schutz des Triat Tr₁ einen Widerstand Rj zur Unterdrückung vor Zünd-Hystereseeffekten und eine als Zener-Diode ausgebildete Diode Di, um eine Zerstörung de!

!5 Feldeffekt-Transistors durch Netzspannungsspitzen zi verhindern. Maßnahmen dieser Art können selbstver ständlich auch bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 1

Anwendung finden. Sämtliche vorstehend aufgezeigten Installationsschal

4(i tungen sind zweckmäßigerweise in einem in dei Zeichnung nicht dargestellten Gehäuse vorzugsweise genormter Abmessungen untergebracht, das mit Spreiz krallen und einer Tragplatte ausgestattet ist, so daß die Installationsschaltung gegen übliche mechanische In

stallationsschalter ohne Änderung der Installationslei tungen austauschbar ist Das Gehäuse kann auch se ausgebildet sein, daß es die Verwendung der Installa tionsschaltung als Installationsaufputz- oder Geräteein bauschalter gestattet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur gesteuerten Speisung einer Last aus einem Wechselstromnetz durch in jeder Halbwelle erfolgende Phasenabschnittssteue- ~> rung, mit einem Triac im Lastkreis und einem parallel zu dem Triac liegenden ÄC-Netzwerk mit einem Festwiderstand und einem über einen Diac mit der Steuerelektrode des Triac verbundenen Kondensator, zu dem ein Transistor als elektronisch ι» steuerbarer Widerstand über eine Zweiweg-Gleichrichterschaltung parallel geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor ein Feldeffekt-Transistor (Π) ist, daß zwischen Gate und Drain des Feldeffekt-Transistors ein Speicherkon- ■■'■ densator (C₃) liegt und daß das Gate des Feldeffekt-Transistors über mindestens eine als hochohmiger Trennschalter wirksame Glimmlampe (L\) und über zwei Widerstände (R₂, R₃) mit zwei Betätigungsplatten (B₃, ß, bzw. Bi, B₂) verbunden ist, -'» durch deren Berührung der Anschnittwinkel in beiden Richtungen verstellbar ist, wobei in dem Stromweg zwischen jeder Betätigungsplatte (Bu B₂) und dem Speicherkondensator (C₃) je eine Gleichrichteranordnung (Dioden D₃, A) derart vorgese- ^^r> hen ist, daß dem Speicherkondensator (C₃) bei Berührung der einen Betätigungsplatte (B\) ein gleichgerichteter Strom in der einen Laderichtung und bei Berührung der anderen Betätigungsplatte (B₂) ein gleichgerichteter Strom in der entgegenge- «> setzten Laderichtung zugeführt wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate des Feldeffekt-Transistors (Ti) über eine einzige als Trennschalter wirksame Glimmlampe (Li) mit zwei entgegenge- >"> setzt gerichteten Dioden (D₃, A) verbunden ist, die jeweils mit einem der beiden Widerstände (R₃, R₂) und der zugehörigen Betätigungsplatte (B\ bzw. B₂) in Reihe liegen (F i g. 1).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ■«> gekennzeichnet, daß das Gate des Feldeffekt-Transistors (T\) mit zwei als Trennschalter wirksamen Glimmlampen (Li, L₂) verbunden ist, die jeweils mit einem der beiden Widerstände (R3, Rt) und der zugehörigen Betätigungsplatte (B\ bzw. B₂) in Reihe ^ liegen (F ig. 2\

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zum Feldeffekttransistor (Ti) ein Source-Widerstand (Rs) angeordnet ist, daß die Gleichrichteranordnung aus zwei, einerseits "> <> an die Verbindungspunkte zwischen den Glimmlampen (Li, L₂) und den zugehörigen Widerständen (R₃, Rj) angeschlossenen Dioden (D₃, A) besteht, von denen diejenige Diode (Eh), die zu dem den Feldeffekttransistor (Ti) in die Sperrung steuernden ■>> Betätigungsstromkreis gehört, andererseits über die Kollektor-Emitterstrecke eines bipolaren Transistors (T₂) mit dem von dem Feldeffekttransistor (Ti) abgewandten Anschluß des Source-Widerstandes (Ri) verbunden und von denen die andere Diode (A) t>o andererseits direkt mit dem von dem Feldeffekttransistor (Ti) abgewandten Anschluß des Source-Widerstandes (Ri) verbunden ist, und daß die Basis-Emitterstrecke des bipolaren Transistors (T₂) parallel zum Source-Widerstand (R₆) liegt, wobei die h5 Basis des bipolaren Transistors (T₂) an die Source des Feldeffekttransistors (Ti) angeschlossen ist, derart, daß der Speicherkondensator (C₃) nur so weit negativ aufgeladen werden kann, daß der Feldeffekttransistor (Ti) gerade sperrt (F i g. 2).