DE2509928B2

DE2509928B2 - Kontaktlose Endstufe für Wechselstromschalter

Info

Publication number: DE2509928B2
Application number: DE19752509928
Authority: DE
Inventors: Reinhard Ing.(Grad.) 4952 Porta Westfalica Geffert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-03-07
Filing date: 1975-03-07
Publication date: 1978-12-07
Also published as: DE2509928C3; DE2509928A1

Description

Halbleiter-Schaltelement der PUT die Aufladung einer Ladekapazität über eine gesonderte Ladestrecke, die parallel zum Halbleiter-Schaltelement geschaltet ist, steuert und daß der PUT bei Erreichen einer bestimmten Spannung an der Lade kapazität gezündet ist.

Gemäß der Erfindung ist der Schaltthyristor bzw. das Halbleiter-Schaltelement zu Beginn jeder Netzhalbwelle grundsätzlich, d. h. unabhängig von einer evtl. Ansteuerung aus dem Gebersystem für eine bestimmte Zeit gesperrt, wobei während dieser Zeit die Netzspannung auf ein Ladesystem zum Aufbau einer Versorgungsspannung für das Gebersystem geschaltet ist. Die Sperrung des Schaltthyristors wird nach Erreichen der gewünschten Versorgungsspannung wieder aufgehoben, und der Schaltthyristor ist dann bis zum Ende der Halbwelle für eine evtl. Ansteuerung aus dem Gebersystem freigegeben.

Durch diese Schaltung benötigt die eriindungsgemä-Oe Endstufe keine teuren und/oder verlustleistungsin- ; tensiven Bauelemente, z. B. Thyristoren oder Zenerdioden, wie sie bei den bekannten Endstufen in Reihe mit den Schaltthyristoren angeordnet sind.

Zugleich kann die erfindungsgemäße Endstufe so aufgebaut sein, daß für die Spannungsversorgung des Gebersystems stets die gleichen Bauelemente verwandt werden, und zwar unabhängig davon, ob der Schaltthyristor vom Gebersystem durchgesteuert ist oder nicht. Im Vergleich zu den bekannten Endstufen, die für jeden Schaltzustand des Schaltthyristors eine getrennte Versorgung benötigen, ergibt sich eine beachtliche Einsparung an Bauelementen, wodurch die Herstellung der erfindungsgemäßen Endstufe erheblich verbilligt wird.

Die den Si-Ausgang des PUT mit dem Steuereingang des Schaltthyristors verbindende Verknüpfungsschaltung kann durch einen Operationsverstärker gegeben sein, dessen Vorstromeingang an dem ß, -Ausgang des PUT liegt. Die Verwendung eines Operationsverstärkers ist aber aus Kostengründen nur dann sinnvoll, wenn als Gebersystem ein elektronischer Schwingkreis vorliegt, so daß der Operationsverstärker zugleich auch die Aufgabe eines Schaitverstärkers für den Schwingkreis mit übernehmen kann. Im Vergleich hierzu ist eine andere Verknüpfungsschaltung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung von genereller Bedeutung für alle Gebersysteme und ist gekennzeichnet durch einen Transistor, dessen Basis mit dem ßi-Ausgang des PUT verbunden ist und dessen Kollektor gemeinsam mit einem Widerstand an die Basis eines zweiten Transistors geschaltet ist, wobei der Kollektor des zweiten Transistors am Steuereingang des Schaltthyristors anliegt. Diese Transistu;schaltung bewirkt eine leC-Phasenverschiebung und somit ist sichergestellt, daß der PUT über die Verknüpfungsschaltung mit Beginn jeder Netzhalbwelle den Schaitthyristor grundsätzlich sperrt.

Wie bereits erwähnt wird die Zeit der grundsätzlichen Sperrung des Schaltthyristors zu Beginn jeder Netzhalbwelle dazu benutzt, um die Versorgungsspannung für das Gebersystem aufzubauen. Gemäß der Erfindung ist für die Aufladung der Ladekapazität eine gesonderte Ladestrecke vorgesehen, die zum Schaltthyristor parallel geschaltet ist. Zweckmäßig wird diese Ladestrecke in Abhängigkeit von dem Zustand des PUT ·■ geschaltet. Zu diesem Zweck kann ein von dem PUT angesteuerter Thyristor in der Ladestrecke angeordnet sein. Vorteilhafterweise ist es jedoch, zwei Transistoren zu verwenden, die in der Darlington-Schaltung mit einem Vorwidersland geschaltet sind. Bei dem hochohmigen Zustand des PUT zu Beginn jeder Netzhalbwelle wenden die Transistoren über einen Strombegrenzungswiderstand durchgeschaltet. Bei Erreichen der Versorgungsspannung zündet der PUT, wie dies nachstehend noch beschrieben werden wird. Bei gezündetem PUT ist sein Zustand niederohmig, und die Transistoren sperren die Ladestrecke, und zwar bis zur Unterschreitung des Talstromes des PUT am Ende jeder Netzhalbwelle. Damit die Sperrung der Ladestrecke vermittels der Transistoren in Darlington-Schaltung sicher erreicht wird, ist es sinnvoll, den Reststrom aus dem primär angesteuerten Transistor über einen Widerstand abzuleiten.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung wird die Versorgungsspannung an der Ladekapazität vermittels einer Zenerdiode abgefragt, die bei Überschreiten der vorgegebenen Versorgungsspannung bzw. Zenerspannung einen Transistor ansteuert, dessen Kollektor mit dem Gate des vorgenannten PUT verbunden ist. Hierdurch wird sichergestellt, daß der PUT bei Erreichen der Versorgungsspannung wie vorstehend erwähnt zündet und bis zum Ende der Netzhalbwelle den Schaltthyristor zur eventuellen Ansteuerung aus dem Gebersystem freigibt.

Der Strombegrenzungswiderstand, über den der PUT die Ladestrecke ansteuert, ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung in einer Gruppenschaltung so ausgebildet, daß ein Teilwiderstand zwischen Emitter und Gate des PUT die zwangsweise Zündung des PUT oberhalb eines vorbestimmten Augenblickswertes der Netzspannung sicherstellt. Hierdurch soll eine Zerstörung des Ladesystems vermieden werden, die auftreten könnte, wenn das erste Einschalten der Betriebsspannung zufällig oberhalb des vorbestimmten Augenblickswertes erfolgt. Durch geschickte Wahl der einzelnen Teilwiderstände der Gruppenschaltung insbesondere des Teilwiderstandes zwischen Emitter und Gate des PUT kann man erreichen, daß der PUT ζ. Β. bei einem Einschalten auf dem Scheitelpunkt einer Netzhalbwelle stets zwangsgezündet wird. Damit ist gewährleistet, daß der PUT Tür die gerade beim ersten Einschalten gegebene Netzhalbwelle die Ladestrecke nicht durchschaltet, sondern dies erst nach einem Nulldurchgang zu Beginn der nachfolgenden Netzhalbwelle erfolgt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Zu Beginn jeder Netzhalbwelle ist der programmierbare Unijunction-Transistor (PUT) Ti gesperrt. Über die Widerstände R]-Ri werden die beiden Schalttransistoren T\ und Ti angesteuert. Sie sind in einer Darlington-Schaltung verknüpft, um die nötige Stromverstärkung zu erreichen. Der Widerstand Ri dient dabei dem sicheren Sperren des Transistors T₂. Erreicht die Spannung an der Basis von T₁ einen Wert, der um die Schwellspannung der beiden Basis-Emitter-Dioden von 71 und T2 höher ist als die Spannung am Emitter des T₂, werden die Schalttransistoren Γι und T₂ leitend und der Ladekondensator Q wird über den Vorwiderstand Rf, aufgeladen. Erreicht die Spannung des Ladekondensators Ci die Höhe der Zenerspannung der Zenerdiode D\ plus der Schwellspannung der Basis-Emitter-Diode des Transiistors T₄, dann werden diese beiden Bauelemente leitend. Der Widerstand Ri dient dabei dem sicheren Sperren des Transistors Ta. Der Kollektor des Transistors T₄ zieht nunmehr den Gate-Anschluß des PUT auf Bezugs-Potential (ca. plus 0,2 V) und zündet

damit den PUT. Damit wird auch die Emitter-Strecke des PUT niederohmig und gleichzeitig die Basis des Schalttransistors 71 auf eine Spannung von ca. +2V gelegt. Dies hat zur Folge, daß die Schalttransistoren 71 und T₂ wieder gesperrt werden.

Durch die belastungsabhängig sinkende Spannung am Ladekondensator C\ sperren die Zenerdiode D\ und der Transistor Ti wieder. Der PUT bleibt jedoch über den Widerstand R\ bis zum Ende der Netzhalbwelle leitend. Er sperrt erst, wenn der Miiidestwert des Haltestromes κ unterschritten wird. Wenn zu Beginn dtr Netzhalbwelle der PUT gesperrt ist, ist auch der Transistor T₅ gesperrt. Mit dem Kollektorwiderstand Rg und dem nachgeschalteten Transistor Te ergibt sich eine 180°-Phasenverschiebung. Sein Kollektor ist mit dem Gate des π Schaltthyristors Th\ verbunden. Er sperrt in dieser Zeit den Thyristor unabhängig vom Schwingkreis-Schalttransistor Tj. Wird der PUT leitend, wird auch 7s leitend und damit sperrt Te. Somit wird die Thyristor-Ansteuerung aus dem Schwingkreis-Schaltverstärker über dei Widerstand R? freigegeben, wobei der Transistor 7 gesperrt ist.

An die Widerstände R^-Ra werden stark gegensätzli ehe Anforderungen gestellt, die durch die gezeigti Gruppenschaltung der Widerstände R\ - R* erfüll werden können. Gefordert wird, daß der Widerstand R hochohmig sein soll, um noch eine Betriebsspannun; von 250 V verarbeiten zu können. Gefordert win weiterhin, daß die Widerstände R₂, Ri und R* al Kombination niederohmig sein sollen, damit dii Schalttransistoren 71 und T₂ trotz des hochohmigei Widerstands Λι einen genügend hohen Basisstron bekommen. Der Teilwiderstand R₂ soll wiederun gemäß der gewünschten Zwangszündung des PUI relativ hochohmig sein. Alle diese Forderungen werdei durch die dargestellte Gruppenschaltung der Wider stände /?i - R₄ erfüllt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kontaktlose Endstufe für Wechselstromschalter, bei dem ein oder mehrere Lastwiderstände unmittelbar in den Ausgangskreis eines Halbleiterschaltelements, z.B. Schalttransistors, Thyristors, oder Triacs, einbezogen sind, wobei das Halbleiterschaltelement von einem Gebersystem beliebiger Bauart angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterschaltelement (TAi) unabhängig von der Ansteuerung aus dem Gebersystem zu Beginn jeder Netzhalbwelle durch einen parallel zum Halbleiterbauelement geschalteten, programmierbaren Unijunction-Transistor ( = PUT T₃) dessen Äj-Ausgang über eine Verknüpfungsschaltung (T₅, T₆, R₈) das Halbleiterbauelement (Thi) phasenrichtig steuert, im hochohmigen Zustand des PUT gesperrt ist, daß bei gesperrtem (T₃) Halbleiterbauelement der PUT (T3) die Aufladung einer Ladekapazität (Q) über eine gesonderte Ladestrekke (R₆, T₁, T₂, Rs), die parallel zum Halbleiterbauelement (Thi) geschaltet ist, steuert und daß der PUT (T₃) bei Erreichen einer bestimmten Spannung an der Ladekapazität (Q) gezündet ist.

2. Endstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verknüpfungsschaltung durch einen Transistor (TJ) gegeben ist, dessen Basis mit dem .Bi-Ausgang des PUT (T₃) verbunden ist und dessen Kollektor gemeinsam mit einem Widerstand (Rs) an die Basis eines zweiten Transistors (T₆) geschaltet ist, wobei der Kollektor des zweiten Transistors (T₆) am Steuereingang des Halbleiterbauelements anliegt

3. Endstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verknüpfungsschaltung durch einen Operationsverstärker mit Vorstromeingang, der an dem Äi-Ausgang des PUT (T₃) liegt, gegeben ist.

4. Endstufe nach einem der Ansprüche 1 — 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung an der Ladekapazität (Q) vermittels einer Zenerdiode (D\) abgefragt ist und bei Überschreiten einer vorgegebenen Zenerspannung einen Transistor (T*) steuert, dessen Kollektor mit dem Gate des PUT (Ti) verbunden ist.

5. Endstufe nach einem der Ansprüche 1 — 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ladestrecke zwei Schalttransistoren ("71, T2) in Darlington-Schaltung mit einem Vorwiderstand (R₆) angeordnet sind, die von dem PUT (T₃) über einen Strombegrenzungswiderstand (Ri — A4) angesteuert sind.

6. Endstufe nach einem der Ansprüche 1—4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladestrecke durch einen von dem PUT (T₃) über einen Strombegrenzungswiderstand angesteuerten Thyristor schaltbar ist.

7. Endstufe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strombegrenzungswiderstand (R\-R*) in einer Gruppenschaltung so ausgebildet ist, daß ein zwischen Emitter und Gate des PUT (T₃) geschalteter Teilwiderstand (R₂) die zwangsweise Zündung des PUT oberhalb eines vorbestimmten Augenblickwertes der Netzspannungsicherstellt.

Die Erfindung betrifft eine kontaktlose Endstufe für Wechselstromschalter, bei dem ein oder mehrere Lastwiderstände unmittelbar in den Ausgangskreis eines Halbleiterschaltelements, z. B. Schalttransistors, Thyristors oder Triacs, einbezogen sind, wobei das Halbleiterschaltelement von einem Gebersystem beliebiger Bauart angesteuert wird.

Endstufen dieses Typs sind bekannt, Sie werden z. B. in Grenztastern insbesondere für die industrielle

ίο Fertigungssteuerung verwandt Als Gebersystem dient dabei im allgemeinen ein Schwingkreis mit Schaltverstärker. Das Gebersystem steuert einen Schaltthyristor an, der sich in der Gleichstromstrecke eines Brückengleichrichters befindet Damit besteht eine schaltbare elektrische Verbindung zwischen Netzspannung und Lastwiderstand.

Bei derartigen Endstufen ist es bekannt, daß diese neben dem Durchschalten der Netzspannung an den Lastwiderstand auch die Spannungsversorgung des Gebersystems sicherstellen. Dies erfolgt bei gesperrtem Schaltthyristor durch eine parallel geschaltete passive Stabilisierungsschaltung (Vorwiderstand, Zenerdiode, Glättungskondensator) und bei durchgesteuertem Schaltthyristor über eine mit dem Thyristor in Reihe geschaltete Zenerdiode. Eine derart aufgebaute Spannungsversorgung ist jedoch relativ aufwendig. Zudem beschränken diese bekannten Endstufen den Anwendungsbereich des Schalters auf Betriebsspannungsbereiche von ca. 90 — 250 V ~ mit einer Restspannung an der

3n durchgeschalteten Endstufe von ca. 9 V bei mittlerer Belastung.

Es ist auch bereits bekannt, die passive Stabilisierungsschaltung zur Spannungsversorgung des Gebersystems bei gesperrtem Schaltthyristor durch eine aktive Stabilisierungsschaltung (Emitterfolger, Zenerdiode, Glättungskondensator) zu ersetzen, und zur Spannungsversorgung bei durchgesteuertem Schaltthyristor die bisher mit dem Schaltthyristor in Reihe geschaltete Zenerdiode gegen einen Thyristor mit Phasenanschnittssteuerung auszutauschen. Im Ergebnis wurde hierdurch eine Verbesserung des Anwendungsbereiches des Schalters erreicht, der nunmehr für Betriebsspannungen von 20 -250 V ~ bei einer Begrenzung der Restspannung an der durchgeschalteten Endstufe auf 4,5 V eingesetzt werden kann, doch sind die Herstellungskosten der Endstufe insbesondere durch Verwendung eines zusätzlichen, relativ teuren Thyristors im Ausgangskreis des Schaltthyristors nicht unerheblich gestiegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Endstufe für Wechselstromschalter zu schaffen, die in der Herstellung kostengünstiger ist und die einen Betriebsspannungsbereich des Schalters von unter 20 V ~ bis 250 V ~ mit einer Restspannung an der durchgeschalteten Endstufe von ca. 4,5 V bei mittlerer Belastung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Halbleiter-Schaltelement (in der Regel wieder ein Schaltthyristor, von dem nachfolgend im wesentli-

wi chen die Rede sein wird, ohne die Erfindung hierauf zu beschränken) unabhängig von der Ansteuerung aus dem Gebersystem zu Beginn jeder Netzhalbwelle durch einen parallel zum Halbleiter-Schaltelement geschalteten, programmierbaren Unijunction-Transistor (nach-

h > stehend kurz PUT genannt), dessen SpAusgang über eine Verknüpfungsschaltung des Halbleiter-Schaltelements phasenrichtig gesteuert, im hochohmigen Zustand des PUT gesperrt ist, daß bei gesperrtem