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Anordnung zur Erzeugungvon Steuerstromweafür steuerbare
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llalbleitergleichrichter Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung
zur Erzeugung von Steuerströmen für steuerbare Halbleitergleichrichter, die von
einer Wechselspannung beaufschlagt sind, mit Potentialtrennung zwischen Steuerelektroden
und Ansteuerstromkreisen.
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Zwischen steucrbarcn Hälbleitergleichrichtern und den zugehörigen
Schaltkreisen für die Erzeugung der Steuersignale
ist oftmals eine
Potentialtrennung erforderlich.
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Die steuerbaren Gleichrichter sind vorwiegend in hohe Ströme oder
Spannungen führenden Leistungestromkre isen angeordnet. Demgegenüber sind die Pegel
und die Ströme in den Ansteuerstromkreisen wesentlich geringer. Um Störungen infolge
von Ausgleichs strömen und Potentialverschiebungen zu vermeiden, werden die Zündströme
mittels Transformatoren auf die Steuerelektroden der Halbleitergleichrichter übertragen
(DU-OS 21 40 174).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Schaltungsanordnung
der eingangs erwähnten Gattung derart weit-erzuentwickeln, daß bei potentialfreicr
Ansteuerung und einer Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom eine kontinuierliche
Ansteuerung mit- möglichst geringer Störspannungserzeugung erreicht wird.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ansteuersignele
über optoelektrische Koppelelemente Gleichspannungsverstärkerschaltungen zuführbar
sind, die von einer galvanisch von der Gleichspannungsversorgung für die Ansteuerstromkreise
getrennten Gleich spannung gespeist sind, und daß die Steuerelektroden der Halbleitergleichrichter
von den Gle«thspannungsverstärkerschaltungen beim Nulldurchgang der Wechselspannung
nach dem Beginn eines Ansteuersignals sowie während der Dauer des Ansteuersignals
zumindest bei den Nulldurchgängen der Wechselspannung für eine die Dauer der Phasenverschiebung
zwischen Spannung und Strom überschreitende Zeit mit einer für die Zündung ausreichenden
Gleichspannung beauSschlaSbar sind. Mit der Anordnung läßt sich ein ausreichend
großer Zündstrom erzeugen, der auch bei induktiven Belastungen die Zündung hervorruft
und aufrecht erhäi*. Durch dve:Zündung der Halbleitergleichrichter mittels.Impulsen
bei den bekannten Anordnungen kann es vorkommen, daß während des Nulldurchgangs
des
phasenverschobenen Stroms und gerade herrschender Impulspause
der Halbleitergleichrichter wieder in den gesperrten Zustand übergeht. Dieser Uebergang
ruft Störspannungen im Wechselspannungsnetz hervor, die in die Steuerstromkreise
eingekoppelt werden können. Mit der vorstehend erläuterten Anordnung steht auch
während der Stromnulldurchgänge eine hinreichend große Steuerspannung an den Halbleitergleichrichtern
zur Verfügung. Daher wird ein uebergang in den gesperrten Zustand für die Dauer
des Ansteuersignals vermieden. Störspannungen, die auf Sperrung und anschließender
erneuter Zündung im Bereich der Stromnulldurchgänge zurückgehen, treten somit nicht
auf.
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Ebenso werden durch die Einschaltung der Zündung im Spannungsnulldurchgang
die Störspannungen auf ein Minimum reduziert. Die Störbeeinflussung der Steuerstromkreise
wird demnach vermindert.
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Ein Transformator, mit dem z.B. die Speisespannung für die gesteuerten
Halbleiergleichrichter auf Werte für die Versorgung der Gleichspannungsverstärker
herabgesetzt wird, ist nur einmal für zahlreiche Gleichspannungsverstärker und den
zugehörigen Halbleitergleichrichtern erforderlich. Die Gleichstromversorgung enthält
neben dem Transformator noch Gleichrichterelemente und beispielsweise einen Gleichspannungsregler,
sofern mit größeren Netzspannungsschwankungen gerechnet werden muß. Da nicht mehr
jeder einzelne gesteuerte Halbleitergleichrichter einen eigenen Ansteuertransformator
benötigt, ist der schaltungstechnische Aufwand gering. Optoelektrische Koppler lassen
sich überdies in einfacher Weise auf Leiterplatten mit gedruckten Schaltungen montieren.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Gleichspannungsverstärkerschaltungen
mit den Steuerelektroden verbundene Verknopfungsglieder aufweisen, deren Eingänge
einerseits an die optoelektrischen Koppelelemente
und andererseits
an Kippstufe angeschlossen sind, die an einen die Wechselspannung überwachenden
Nullspannungsdetektor angescElossen sind, der von der Gleichspannungsversorgung
für die Gleichspannungsverstärkerschaltungen gespeist ist. Die Zündung erfolgt bei
dieser Anordnung mit dem auf das Ansteuersignal folgenden Nulldurchgang der Spannung
und endet mit dem Abklingen des Ansteuersignals. Der Strom im Halbleitergleichrichter
endet mit dem ersten Nulldurchgang nach dem Ansteuersignal. Da die Gleichspannungsverstärkerschaltungen
und der Nullspannungsdetektor von einer Gleichspannungsquelle gespeist werden, läßt
sich eine wirtschaftliche Versorgungseinrichtung herstellen, bei der die Spannungsumsetzung
durch Transformatoren erzielt wird. Daher werden hohe Wärmeverluste, z.B. in vom
Wechselspannungsnetz gespeisten Vorwiderständen, vermieden.
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Die Anordnung eignet sich insbesondere für die Ansteuerung von Triacs,
die auch unter der Bezeichnung Vollwegthyristoren bekannt sind.
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Eine zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, daß die Kippstufe
monostabil sind und von dem Nullspannungsdetektor zur Abgabe eines Signals anregbar
sind, dessen Dauer größer als die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom
und kleiner als eine halbe Periode der Wechselspannung ist. Nach Beendigung des
von der jeweiligen monostabilen Kippstufe abgegehenen Signals ist der Strom im Halbleitergleichrichter
ausreichend groß, um die Zündung des Halbleitergleichrichters aufrecht zu erhalten.
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Die Anordnung eignet sich vorwiegend für die Steuerung von Strömen
in induktiven Verbrauchern.
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Vorzugsweise erfolgt die Gleichspannungsverstärkung von bistabilen
Klppstrufen die jeweils gemeinsam von einem Ansteuersignal und einem bei Spannungsnulldurchgang
erzeugten Signal setzbar, und von der Rückflanke des Ansteuersignals zurücksetzbar
sind. Mit dieser Anordnung lassen sich sowohl
induktive als auch
kapazitiv phasenVerschobene Ströme in Halbleitergleichrichtern steuer. Die Steuerelektroden
sind bei der Anordnung während der gesamten Zündperioden mit einer ausreichend großen
Zündspannung beaufschlagt.
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Bei einer Anordnung z;lit in jeder Phase mehrphasiger Wechselspannungsleitrngen
angeordneten steuerbaren Halbleitergleichrichtern ist vorgeseken, daß die den Halbleitergleichrichtern
der verschiedenen Phasen zugeordneten Kippstufen jeweils von die Phasen iiberwachenden
Null spannungsdet eNtorell an steuerbar sind.
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Die Erfindund wird im folgenden an Jiand eines in einer Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus dem sich weitere Merkmale
sowie Vorteile ergeben.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Schaltbild einer Anordnung zur Erzeugung von
Steuerströmen, Fig. 2 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs von Signalen der Schaltungsanordnung
gemäß Fig. 1.
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In Ansteuerstromkreisen 1 werden Signale zum Zünden und Löschen von
Triacs 2,3,4 erzeugt, die jeweils über Klemmen 5,6,7 an Wechselspannungen gelegt
sind. Die Kathoden der Triacs 2,3,4 sind gemeinsam an einen Mittelpunktsleiter 8
gelegt. In Reihe mit den Triacs 2,3,4 sind jeweils nicht näher bezeichnete Lastwiderstände
geschaltet, die z.B. auch kapazitive oderinduktive Blindçiderstände aufweisen können.
Die Triacs 2,3,4 werden vorwiegend mit hohen Strömen und Spannungen beaufschlagt.
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Demgegenüber weisen die Signale zum Ansteuern der Triacs
in
den Stromkreisen 1 nur geringe Pegel und keine Ströme auf.
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Die Signale zum Ansteuern der Triacs 2,3,4 erden Leuchtdioden 9,10,11
zugeführt, djean die Stromkreise 1 angeschlossen sind. In Reihe mit den Leuchtdioden
sind nicht ncr bezeichnete 1,tiderstande geschaltet.
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Durch das von den Leuchtdioden 9,10,11 bei Beaufschlagung mit einem
Steuersignal ausgesandte Licht werden Phototransistoren 12, 13, 14 durchlässig gesteuert.
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Die Dioden 9,10,11 und die Phototransistoren 12,13,14 bilden jeweils
optoelektrische Koppelelemente, durch die eine Potentialtrehnung zwischen den Steuerstromkreisen
1 undden Triacs 2,3,4 erzielt wird. Die Phototransistoren 12,13,14 sind über nicht
näher bezeichnete Widerstände an die zu Pole Pole einesSpannungsreglers 15 angeschlossen,
der eine geregelte Ausgangsspannung von z.B. 12 Volt erzeugt.
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Dem Spannungsregler 15 wird ungeregelte Gleichspannung von einem Gleichrichter
16 zugeführt, der an einen Netztransformator 17 angeschlossen ist.
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Der Spannungsregler 15 versorgt einen Nullspannungsdetet tor 18 mit
Betriebsspannung, dessen nicht bezeichneter Eingang..mitdem Phasensignal beaufschlagbar
ist. Wenn ein Nulldurchgang der an der Last anstehenden Wechselspannung auftritt,
Sibt der Nullspannungsdetektor 18 einen Impuls an seinem Ausgang 19 ab.
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Die Emitter der Phototransistoren 12, 13, 14 sind jeweils an Eingänge
von- UND Gliedern 20, 21, 22 angeschlossen, dren zweite Eingänge mit dem Ausgang
19 in Verbindung stehen. Den UND-Gliedern 20, 21, 22 sind Eingänge von monostabilen
Kippstufe 23, 24, 25 nachgeschaltet, deren Ausgänge UND-Glieder ein 28 Speisen,
deren zweite
Eingänge jeweils mit den zugeordneten Phototransistoren
12, 13, 14 verbunden sind. Den Ausgängen der UND-Glieder 26, 27, 28, die nicht näher
dargestellte Schaltverstärker aufweisen, sind je die Steuerelektroden der Triacs
2,3,4 nachgeschaltet.
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Die Verknüpfungs-Glieder 20, 21, 22, 26, 27, 28 und die monostabilen
Kippstufen 23, 24, 25 werden ebenfalls von dem Spannungsregler 15 mit Betriebsspannung
versorgt.
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Die Elemente 20, 23, 26 blf. 21, 2, 27 oder 22, 25, 28 können jeweils
Bestandteil eines integrierten Schaltkrcises sein Je nach der Stromversorgungskapazität
des Transformators 17, des Gleichrichters 16 und des Spannungsreglers 15 können
eine entsprechende Anzahl von Phototransistoren und nachgeschaltete Elemente für
die Erzeugung der Steuerströme mit Spannung versorgt werden. Die Anordnung ist umso
wirtschaftlicher, je mehr Triacs durch dieoben beschriebene Schaltung, die nur einen
Transformator auf.eist, ansteuerbar sind.
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Sendet z.B. die Leuchtdiode 9 Licht zum Phototransistor 12, dann wird
dieser durchlässig, so daß an einem Eingang des UND-Glieds 20 hohes Potential ansteht.
In Fig. 2 ist der Beginn dieses an der Leuchtdiode 9 auftretenden Steuersignals
A zum Zeitpunkt t1 angenommen. Während dieses Zeitpunkts t1 hat beispielsweise die
am Triac 5 anstehende Wechselspannung W einen positiv Wert.
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Im eingeschcngenen Zustand ist der in Fig. 2 mit I bezeichnete Strom
gegen die Spannung W nacheilend phasenverschoben. Vor dem Zeitpunkt t1 ist der Strum
null.
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Die gestrichelte Linie deutet lediglich den Verlauf des eingeschwungenen
Stroms en.
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Beim Nulldurchgang der Wechselspannung W nach Beginn des Signals A
wird die monostabile Kippstufe 23 über das UND-Glied 20 zur Abgabe eines Rechteckimpulses
angeregt, dessen Dauer etwas größer als die Phasenverschiebung zwischen Spannung
W und Strom I ist. Dieser Rechteckimpuls gelangt über das UND-Glied 26 als Steuersignal
S auf.die Steuerelektrode des Triacs 2. Daher wird der Triac 2 gezündet. Im Triac
2 beginnt vom Zeitpunkt des Spannungsnulldurchgangs an ein Strom zu fließen, der
nach einem Einschwingvorgang in den stationären Strom I übergeht.
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Das Steuersignal S geht nach einer gewissen Zeit wieder auf den Wert
null zurück. Da der Triac 2 im Spannungsnulldurchgang gezündet wird, sind die auf
den Zündvorgang zurückgehenden Störspannungen minimal.
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Zum Zeitpunkt t2 wechselt die Spannung W die Polarität,-Der Nulldurchgang
wird von Detektor 18 festgestellt- und durch den Impuls auf die UND-Glieder 20,
21, 22 gemeldet. Durch diesen Impuls wird die monostabile Eippstufe 23 über das
UND-Glied 20 erneut zur Abgabe eines Rechteckimpulses angeregt. Die Zeitdauer dieses
Impulses ist kleiner als eine halbe Periode der Wechselspannung an den Triacs 2,3,4.
Wenn am Ausgang der Kippstufe 23 der Rechteckimpuls auftritt, steht am zweiten Eingang
des UND-Glieds 26 noch das vom Phototransistor 12 abgegebene Potential an, so daß
das UND-Glied durchlässig wird, das über seinen nicht dargestellten Ausgangsverstärker
wiederum das Steuersignal S für den Triac 2 abgibt.
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Das Steuersignal S, das in Fig. 2 dargestellt ist, tritt somit auch
zum Zeitpunkt t2 auf. Dieses Steuersignal S herrscht noch an der Steuerelektrode
des Triacs 2, wenn der Strom I einen Nulldurchgang hat, und verhindert, daß der
Triac zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs in den nichtleitenden Zustand übergeht. Deshalb
treten nicht nur beider.. ersten Zündung sondern auch bei allen Stromnulldurchgängen
keine Störimpulse auf. Die Ansteuerstromkreise 1 sind demnach
weniger
Störspannungen ausgesetzt und arbeiten zuverlässiger.
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Eine gewisse Zeit nach dem letzten, mit dem Signal zusarsenfallenden
Stromnulldurchgang geht das Steuersignal S auf den Wert null zurück.
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Das Steuersignal A wird, wie aus der Fig. 2 hervorgeht zum Zeitpunkt
t3 beendet. Die Photodiode 9 sendet kein Licht mehr aus. Daher sperrt der Transistor
12. Durch die Sperrung des Transistors 12 tritt an einem Eingang des UND-Glieds
26 ein niedriges Potential auf. Deshalb sperrt auch das UND-Glied 26 zum Zeitpunkt
t3. Die Abgabe des Steuerstroms S ist somit spätestens zum Zeitpunkt t3 beendet.
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Der Triac 2 kann also in der Zeit zwischen dem auf den Zeitpunkt t1
folgenden Nulldurchgang der Spannung W und t3 Steuerstrom führen. Praktisch hört
der Stromfluß im Triac 2 auf, wenn der Strom nach dem Ende des Steuersignals A zum
ersten Mal durch Null verläuft.
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Die oben erläuterte Anordnung eignet sich insbesondere für die Erzeugung
von Steuerstromen bei stark induktiven Belastungen, wie sie bei Elektromotoren auftreten.
Durch die Schaltverstärker in den UND-Gliedern 26, 27, 28 wird immer ein hoher Steuerstrom
abgegeben, der für die Zündung der Triacs 2, 3 oder 4 ausreichend ist.
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An Stelle der monostabilen Kippstufen 23, 24, 25 lassen sich auch
bistabile Kippsrufen verwenden, die gemeinsam mit dem Ansteuersignal A und dem Signal
des entsprechenden Nullspannungsdetektors gesetzt und die mit dem Ende des Signals
A wieder zurückgesetzt werden müssen. Diese Anordnung eignet sich für die Steuerung
von induktiv und von kapazitiv phasenverschobenen Strömen mittels Triacs.
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Wenn Ströme in mehrphasigen Systemen gesteuert werden sollen, dann
ist für die Spannung jeder Phase ein Nullspannungsdetektor erforderlich, der an
die jeder Phase zugeordnete Gleichspannungsschaltung angeschlossen ist.
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