DE2508348A1

DE2508348A1 - Zeitsteuerschaltung

Info

Publication number: DE2508348A1
Application number: DE19752508348
Authority: DE
Inventors: Guy Dumas
Original assignee: Silec Semi Conducteurs SA
Current assignee: Silec Semi Conducteurs SA
Priority date: 1974-05-15
Filing date: 1975-02-26
Publication date: 1975-11-27
Also published as: BE825812A; FR2271712A1; FR2271712B3; IT1033178B

Description

Die Erfindung betrifft eine Zeitsteuerschaltung oder sog. "Minutenschaltung", zum Betätigen eines statischen Unterbrechers für eine bestimmte Zeitdauer.

Eine besonders einfache Schaltung zum Steuern des Stromflusses während einer begrenzten Zeit in einer Verbraucherschaltung weist in Reihe mit dem Verbraucher einen statischen Unterbrecher, wie einen Thyristor,auf. Dieser Thyristor wird dadurch gesteuert, daß zwischen seiner Anode und seiner Steuerelektrode ein anfänglich entladener Kondensator angeordnet wird, der Triggerimpulse für den Thyristor während seiner Ladedauer durchläßt, jedoch, wenn er einmal geladen ist, dem Triggern des Thyristors entgegenwirkt. Diese einfache Schaltung hat zahlreiche Nachteile,insbesondere diejenigen,daß der Thyristor parasitär durch impulse in der Schaltung gesteuert werden kann und daß die Dauer der leitenden Phase des Thyristors von zahlreichen Parametern, vor allem von der Temperatur, abhängt und je nach dem verwendeten Thyristor variiert.

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Hauptaufgabe der Erfindung ist daher, eine Zeitsteuerschaltung zu schaffen, die wenig empfindlich gegenüber parasitären Strömen in der Schaltung bzw. im Netz ist. Ferner soll die zu schaffende Zeitsteuerschaltung unabhängig von den Eigenschaften des verwendeten statischen Unterbrechers stets genau gleich arbeiten.

Diese Aufgabe ist bei einer Zeitsteuerschaltung der eingangs beschriebenen Art gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs gelöst.

Es sind also bei der Schaltung nach der Erfindungjzwei gesonderte Kondensatoren vorgesehen, welche die Bestimmung der Zeitdauer, für weiche die Zeitsteuerschältung einschaltet, und das Einspeisen von Strom zum Triggern des statischen Unterbrechers zu trennen erlaubt. Somit kann die Zeitdauer völlig unabhängig von den Eigenschaften des statischen Hauptunterbrechers gewählt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematlscher Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Zeitsteuerschaltung;

Fig. 2 α und 2b Diagramme, in denen die Spannung über der Zeit aufgetragen Ist, zur

Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig» I; Fig. 3 eine Variante der Schaltung nach Fig. 1;
Fig. 4 eine Zeltsteuerschaltung gemäß der Erfindung;
Fig. 5 ein Diagramm mit der Spannung über der Zeit zum Erläutern der Wirkungsweise

der Zeitsteuerschaltung nach Fig. 4 und
Fig. 6· eine andere Ausführung einer Zeifsteuerschaltung gemäß der Erfindung.

Um die Vorteile einer Zeitsteuerschaltung gemäß der Erfindung deutlich hervortreten zu lassen, wird zunächst anhand der Fig. 1, 2a und 2b eine einfache Zeitsteuerschaltung

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erläutert. In Fig. 1 sind mit dem Bezugszeichen 10 und 11 die Versorgungsanschiüsse der Schaltung bzw. des Netzes, mit dem Bezugszeichen 1 ein Verbraucher, mit dem Bezugszeichen 2 ein Thyristor, mit 3 eine Diode, mit 4 ein Kondensator der Kapazität C, mit 5 ein Widerstand und mit 6 ein normalerweise offener Druckknopfschalter bezeichnet, der nur geschlossen ist, wenn Druck auf ihn ausgeübt wird.

In Fig. 2a stellt die Kurve 20 die anliegende Spannung und die Kurve 21 die Spannung an den Anschlüssen des Kondensators 4 dar, während in Fig. 2b in gleichem Maßstab die Spannung an den Anschlüssen des Thyristors 2 dargestellt ist. Bei zunächst infolge einer Betätigung des Schalter 6 entladenem Kondensator 4 wird bei der ersten folgenden postiven Halbwelle der Kondensator 4 zwischen den Zeitpunkten tO und ti aufgeladen, bis der Thyristor 2 getriggert wird. Eine Diode 3 hindert den Kondensator 4 danach am Entladen. Somit bleibt die Ladung dieses Kondensators zwischen den Zeitpunkten ti und t2 konstant. Zum Zeitpunkt t2, wenn die Spannung in der Schaltung größer als die Spannung an den Anschlüssen des Kondensators 4 wird, wird der Kondensator aufs Neue zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 bis zur neuerlichen Triggerung des Thyristors 2 aufgeladen. Dies wiederholt sich zwischen den Zeitpunkten t4 und t5, to und t7, t8 und t9. .,

tn-1 und tn, bis die Ladespannung an den Anschlüssen des Kondensators 4 gleich dem Maximalwert der zwischen den Anschlüssen 10 und 11 anliegenden Spannung ist» Der Thyristor 2 bleibt dann bis zu einer neuerlichen Betätigung des Druckknopfschalters 6 gesperrt. Fig. 2b zeigt in Verbindung mit Fig. 1, daß die elektrische Leistung je Halbwelle, weiche den Verbraucher 1 passiert, sich bei Annäherung an den Anhaltezustand der Zeitsteuerschaltung vermindert. Die Zeitpunkte ti, t3, t5, t7 und t9 liegen in der Tat mehr und mehr entfernt vom Nulldurchgang der anliegenden Spannung. Außerdem tritt in dieser Schaltung starkes Rauschen auf, weil sie bei Spannungswerten der Speisespannung leitend gemacht wird, die bald relativ groß sind. Auch werden zahlreiche parasitäre Wirkungen in der Arbeitsschaltung erzeugt, was das Arbeiten anderer, benachbarter elektrischer Vorrichtungen unerwünscht beeinflußt.

Wenn gemäß Fig. 2a die Veränderung der Spannung zwischen den Zeitpunkten tO und ti, t2 und t3, oder tn-1 und tn mit AV bezeichnet wird, ergibt sich die Bezie-

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C- AV = q

Hierin sind = q die zum Zünden des Thyristors 4 erforderliche Ladungsmenge und C die Kapazität des Kondensators 4. Die Größe von AV, die die Phasendauer der Leitung der Zeitsteuerschaltung definiert, hängt unmittelbar von der Triggercharakteristik des Thyristors 2 ab. Diese Charakteristik der Tiggerung variiiert stark von Thyristor zu Thyristor selbst bei zwei Thyristoren aus der gleichen Bauserie und ferner in Abhängigkeit von anderen Parametern, insbesondere von der Temperatur des Thyristors. Schließlich ist in der Schaltung nach Fig. 1 der Thyristor 2 nicht gegen parasitäre Impulse geschützt, die sich eventuell an den Anschlüssen 10 und 11 überlagern und die unzeitige Triggerung auslösen können.

Fig. 3 zeigt eine verbesserte Variante der Schaltung nach Fig. I₇ bei der die erwähnten Nachteile zum Teil vermiede.· sind. Außer den die Schaltung nach Fig. 1 bildenden Bausteinen, die mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, umfaßt die Schaltung nach Fig. 3 einen Diac 30, der zwischen dem Verbindungspunkt 32 des Widerstandes 5 und des Druckknopfschalters 6 und der Steuerelektrode des Thyristors 2 angeordnet ist, sowie einen Widerstand 31, der zwischen dem Verbindungspunkt 32 und der Kathode des Thyristors 2 bzw. dem Anschluß 11 angeordnet ist. In dieser Schaltung kann aufgrund des Diacs 3 mit größerer Genauigkeit die elementare Spannung AV festgelegt werden, die den Kondensator 4 während jeder Ladungsetappe auflädt, so daß eine genauere Zeitverzögerung erzielt wird. Außerdem ermöglicht der vergleichsweise große Widerstand 31 ein permanentes Wiederaufladen des Kondensators 4, was eventuelle Leck- oder Streuverluste kompensiert. Dieser Widerstand 31 vermindert jedoch die gesamte Ladungsdauer des Kondensators 4. Zum Strom der Ladung Ip des Thyristors 2 kommt nun der Strom

Δν/R,. hinzu, wobei R-. die Größe des Widerstandes 31 und AV die Auslösespannunc des Diacs oder genauer der Unterschied zwischen seiner Ausiösespannung und seiner Spannung bei Leiten sind. Wenn der Strom l_o = Δ V/R_. größer oder gleich j~ ist, wird

K öl Kj

die Gesamtdauer des Auflodern des Kondensators 4 weniger abhängig von den Eigenschaf-

— 5 —

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ten des Thyristros 2. Außerdem ist die Empfindlichkeit gegenüber parasitären Erscheinungen des Netzes bzw. der Schaltung (du secteur) aufgrund des Vorhandenseins des Widerstandes 31 und des Diacs 30 verringert. Die Schaltung nach Fig. 3 vermeidet {edoch nur feilweise die bei der Schaltung nach Fig. 1 vorhandenen Nachteile und hat außerdem den Nachteil, daß die Gesamtdauer der Leitungsphase der Zeitsteuer-" schaltung notwenig ziemlich gering ist, wenn der Thyristor 2 nicht außerordentlich empfindlich sein soll, und zwar deshalb, weil bei weiniger empfindlichem Thyristor der Kondensator 4 sein maximales Ladungsniveau relativ schnell erreicht.

Anhand der Fig. 4 wird nun eine Schaltung gemäß der Erfindung beschrieben, bei der das Triggern eines Hauptunterbrechers und das Bestimmen der Leitungsphase der Zeitsteuerschaltung entkoppelt sind. In Fig. 4 sind die in den Schaltungen nach Fig. 1 und 3 verwendeten Bauelemente mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Demgemäß bezeichnen 10 und Π die Versorgungsanschlüsse, 1 einen Verbraucher, 2 einen Thyristor, 3 eine Diode, 4 einen Kondensator, 5 einen in Reihe mit dem Kondensator 4 geschalteten Widerstand und 6 einen zur Reihenschaltung aus Kondensator 4 und Widerstand 5 parallelgeschalteten Druckknopfschalter. Der Verbindungspunkt 40 des Widerstandes 5 und eines Anschlusses des Druckknopfschalters 6 ist mit dem Anschluß 11 über einen großen Widerstand 41 verbunden. An diesem Verbindungspunkt 50 sind außerdem hintereinander ein Widerstand 42 und ein Diac 44 angeschlossen, dessen anderer Anschluß mit der Steuerelektrode des Thyristors 2 verbunden ist.

An den Verbindungspunkt 43 zwischen dem Widerstand 42 und dem Diac 44 ist ein Kondensator 45 angeschlossen, dessen anderer Anschluß mit der Kathode des Thyristors 2 bzw. dem Anschluß 11 verbunden ist. Außerdem kann wahlweise ein Widerstand 46 zwischen der Kathode und der Steuerelektrode des Thyristors 2 vorgesehen sein.

Anhand der Fig. 5 wird nun die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 4 erläutert. In Fig. 5 ist mit 50 die Versorgungsspannung, d,h. die Spannung zwischen den Anschlüssen 10 und 11 , mit 51 die Spannung an den Anschlüssen des Kondensators 45 mit der Kapazität C und mit 52 die Spannung an den Anschlüssen des Kondensators 4 mif der Ka-

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pazität C bezeichnet. Außerdem ist bei Fig. 5 angenommen, daß zu Beginn der Kondensator 45 durch Betätigen des Druckknopfschalters 6 entladen ist. Somit ist zum Zeitpunkt tO die Spannung an den Anschlüssen der Kondensatoren 4 und 45 Null. Anschließend wird durch die erste positive Haibwelle der Versorgungsspannung zwischen den Zeitpunkten tO und ti der Kondensator 45 auf einen Wert CV. aufgeladen, der zum Triggern des Diacs 44 ausreicht. Darauf fällt die Spannung an den Anschlüssen des Kondensators 45 auf einen Wert CV. ab, wobei V. - V„ = Δν der Unterschied zwischen der Triggerspannung und der Spannung im Leitzustand des Diacs 44 ist. Die an den Anschlüssen des Kondensators 4 anliegende Spannung ist also

Zwischen den Zeitpunkten ti und t2 fällt die Spannung an den Anschlüssen des Kondensators 45 auf einen Wert Null ab, wobei dieser Kondensator sich über die Widerstände 41 und 42 entlädt. Anschließend wiederholt bei jeder nachfolgenden Periode der Versorgungsspannung die Spannung an den Anschlüssen des Kondensators 45 den Zyklus gemäß der Kurve 51. Aufgrund des Vorhandenseins der Diode 3 entlädt sich der Kondensator 4 dagegen nicht und speichert bei jeder positiven Halbwelle der Versorgungsspannung eine Elementarladung, die dem Ausdruck -=- · Δ V entspricht, wie dies die Treppenkurve 52 in Fig. 5 darstellt.

Auf diese Weise hängt die Zeitverzögerung nicht von der Empfindlichkeit des verwendeten Thyristors ab, vorausgesetzt, daß diese ausreichend für eine Triggerung mit einer Ladung O ' Δν ist. Die Zeitdauer der Zeitsteuerschaltung wird einerseits durch die Ladung des Kondensators 4 über den Widerstand 41 und andererseits durch die Anzahl der Perioden der Versorgungsspannung bestimmt, die erforderlich sind, um den Kondensator 4 vollständig durch aufeinanderfolgende Summierung der Elementarladungen aufzuladen. Die Anzahl der erforderlichen Perioden zum vollständigen Aufladen des Kondensators 4 bestimmt sich aus der Beziehung

C ^VA

n=c> · —

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worin V. die maximale Versorgungsspannung ist.

Als Beispiel werden Zahlenwerte für einen konkreten Fall angegeben:

- V. = 300 Volt (was einem Mittelwert einer 220-Volt-Spannung entspricht) -AV = 10 Volt

- C = 3,3j*F

- Periode der Versorgungsspannung = 20 Millisekunden (was einer Frequenz von

50 Hertz entspricht).

Wenn man also eine Dauer der leitenden Phase der Zeitsteuerschaltung von 60 Sekunden erhalten will, muß

^VA C

η = 3000 = -^- . -^₇- , mit C = 33 nF

gewählt werden.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht also darin, eine Dauer der leitenden Phase der Zeitsteuerschaltung völlig unabhängig von der Genauigkeit der Triggerung des Thyristors, jedoch im wesentlichen abhängig von den Eigenschaften des Diacs zu machen, die üblicherweise bei Diacs aus ein und derselben Serie im wesentlichen gieichsind. Ein anderer Vorteil ergibt sich aus der Eliminierung möglicher unzeitiger Triggerungen des Thyristors 2 durch parasitäre Impulse von der Versorgungsspannung her. Dieses Unempfindlichmachen gegenüber parasitären Erscheinungen wird durch den Widerstand und den Kondensator 45 erzielt, die als Tiefpaßfilter wirken und parasitäre Impulse kurzer Dauer eliminieren. Ein anderer Vorteil der Erfindung folgt aus der Tatsache,

daß gemäß Fig. 5 die Triggerung des Thyristors 2 zu Zeitpunkten (tl,t3,t5,f7 )

stattfindet, die ein konstantes Zeitintervall zu dem einer positiven Halbwelle vorausgehenden Nulldurchgang haben. Somit ist über die gesamte Wirkungsdauer der Zeitsteuerschaltung die Dauer des Einschaltens des Thyristors konstant, und man vermeidet den Effekt des Flimmerns am Ende der Zeitsteuerschaltung. Außerdem ist das Zeitinter-

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vail zwischen dem Nulldurchgang und der Triggerung des Diacs und des Thyristors relativ kurz im Vergleich zur Zeitdauer einer Halbwelie; die Triggerung des Thyristors findet also statt, wenn die Spannung an den Versorgungsanschlüssen relativ gering ist, und es ist wohl bekannt, daß die Triggerung des Thyristors in der Nachbarschaft des Nulldurchgangs der Versorgungsspanung dieErzeugung von parasitären Erscheinungen verhindert.

Fig. 6 zeigt eine Variante der Schaltung nach Fig. 4, bei welcher der Thyristor 2 durch einen Triac 60 ersetzt ist, um die Zeitsteuerschaltung bei beiden Halbwellen wirksam zu machen. Zum Triggern des Triacs 60 umfaßt die gezeigte Schaltung eine Doppelweg-Gleichrichterbrücke 61. Die Diode 3 der Schaltung nach Fig. 4 ist weggelassen. Die Anordnung aus dem Kondensator 4, dem Widerstand 5 und dem Druckknopfschalter 6 ist an die eine Diagonale der Gleichrichterbrücke 61 angeschlossen, während die andere Diagonale zwischen die Elektrode A2 des Triacs 60 und den Verbindungspunkt der Widerstände 41 und 42 geschaltet ist. Die anderen Bauelemente der Schaltung nach Fig. 6 entsprechen denjenigen der Schaltung nach Fig. 4. Die Wirkungsweise der in Fig. 6 gezeigten Schaltung entspricht bis auf die Tatsache, daß sich der Kondensator 4 bei jeder positiven oder negativen Halbwelle der Speisespannung auflädt, der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 4. Somit wird für identische Größen der Kapazitäten C und C die Dauer der leitenden Phase der Zeitsteuerschaltung zweimal kürzer.

Bei den gezeigten Ausführungen ist zum Betätigen der Zeitsteuerschaltung ein Druckknopfschalter 6 verwendet. DieserSchalter 6 kann durch einen beliebigen anderen Kurzzeitschalter ersetzt sein. Beispielsweise kann ein statischer Unterbrecher verwendet werden, der elektrisch durch einen Steuerimpuls oder optisch durch ein Lichtsignal oder durch jede andere zweckmäßige Energie betätigt werden kann.

Ansprüche:

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Claims

Ansprüche

1./ Zeitsteuerschaltung zum Betätigen eines statischen Unterbrechers für eine bestimmte Zeitdauer, gekennzeichnet durch

- einen im Steuerkreis des Hauptunterbrechers (2) angeordneten Diac (44);

- einen ersten Kondensator (45) zum Ansammeln einer für das Triggern des Diacs (44) und des Hauptunterbrechers (2) während eines Teils einer Halbperiode ausreichenden Ladung, wobei sich dieser Kondensator während der Leirungsphase des Hauptunterbrechers (2) entlädt;

- einen zweiten Kondensator (4) zum sukzessiven Ansammeln von Ladungen während der Lade- und Entladeperiode des ersten Kondensators (45), bis die Spannung an den Anschlüssen dieses Kondensators gleich der Speisespannung der Schaltung ist, mit der die Zeitsteuerschaltung verbunden ist, und

- einen Kurzzeitunterbrecher (6) zum Entladen des zweiten Kondensators (4) und zum Initiieren der Zeitsteuerschaltung«

- 10-

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2. Schaltung nach Anspruch 1, die über Halbwellen (Halbperioden) arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptunterbrecher (2) ein Thyristor ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der einsinnig ausgebildete Hauptschalter, wie ein Thyristor, mit seinen Hauptelektroden an eine Verbraucherschaltung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode dieses einsinnigen Unterbrechers (2) mit seiner Steuerelektrode über eine Reihenschaltung einer Diode (3)/ des zweiten Kondensators (4), eines ersten Widerstandes (5), eines zweiten Widerstandes (42) und des Diacs (44) verbunden ist, daß der Kurzzeitunterbrecher (6) parallel zu der Reihenschaltung aus zweitem Kondensator (4) und erstem Widerstand (5) geschaltet ist, wobei der Verbindungspunkt (40) des ersten und zweiten Widerstandes (5,42) mit der Kathode des Hauptunterbrechers (2) über einen dritten Widerstand (41) verbunden ist, und dail der Verbindungspunkt (43) zwischen dem zweiten Widerstand (42) und dem Diac (44) mit der Kathode des Hauptunterbrechers (2) über den ersten Kondensator (45) verbunden ist.

4. Schaltung nach Anspruch 1, die mit Halbwell en paaren (ganzen Perioden) arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptunterbrecher ein Triac (60) ist.

5. Schaltung nach Anspruch I oder 4, bei welcher der in zwei Richtungen arbeitende Hauptunterbrecher, wie ein Triac, mit seinen Hauptelektroden an eine Verbraucherschattung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Hauptelektrode (A„) des zweisinnigen Unterbrechers (60) mit seiner Steuerelektrode über eine erste Diagonale einer Doppelweg-GIeichrichterbrücke (6T) , einen zweiten Widerstand (42) und den Diac (44) verbunden ist, daß der Verbindungspunkf der Diagonale der Doppelweg-Gleichrichterbrücke und des zweFten Widerstandes (42) über einen dritten Widerstand (41) mit der anderen Hauptelektrode (A.) des zweisinnigen Unterbrechers (60) verbunden ist, daß der Verbindungspunkf (43) des zweiten Widerstandes (42) und des Diacs (44) mit dieser zuletzt genannten Hauptelektrode (A₁) über einen ersten Kondensator (45) verbunden ist und daß die zweite

■ Diagonale der Doppelweg-Gleichrichterbrücke mit einer Reihenschaltung aus dem zweiten Kondensator (4) und einem ersten Widerstand (5) verbunden ist, wobei dieser Reihenschaltung parallel der Kurzzeitunterbrecher (6) geschattet ist.

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6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch" gekennzeichnet, daß der Kurzzeitunterbrecher (6) ein Staucher Unterbrecher ist.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzzeitunterbrecher (6) ein Druckknopfschalter ist.

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