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Vorrichtung zur Schliessung bzw. Unterbrechung eines auf einer
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Leitung auftretenden elektrischen Wechselstromes Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf eine Vorrichtung, die so beschaffen ist dass sie einen auf einer
Leitung auftretenden elektrischen Wechselstrom an dessen Nulldurchgang schliessen
bzw.
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unterbrechen kann. Der genannte Strom ist zur Speisung von Energie
zu einer Belastung vorgesehen. Das Schliessen bzw. Unterbrechen des auf der Leitung
auftretenden Wechselstromes geschieht durch eine Aktivierung eines elektronischen
Schaltmittels, welches zu einem Kontakt, der in einem mechanischen Schaltmittel
enthalten ist, parallelgeschaltet ist. Der Kontakt befindet sich während der Belastung
in geschlossener Lage und zu Anfang einer kurzen Beharrungszeit nach der Einschaltung
des elektronischen Schaltmittels und vor einer kurzen Beharrungszeit vor der Unterbrechung
des elektronischen Schaltmittels.
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Es ist bereits bekannt, dass das Unterbrechen und Schliessen eines
elektri sehen Wechseletromes mit Hilfe von mechanischen Kontaktorganen, beispielsweise
Kontaktoren, Relais oder Ähnlichen vorgenommen werden kann. Nachdem das Schliessen
und Unterbrechen zu unbestimmten Zeiten erfolgt, itommt es oft vor, dass das Schliessen
bzw. lTnterbrechen zu
solchen Zeitpunkten geschieht, wenn sowohl
der Strom als auch die Spannung Spitzenwerte aufweisen. Dies bedeutet demnach, dass
der mechniache Kontakt zur Schliessung bzw. Unterbrechung eines beträchtlichen EfFe'ites
dimensioniert sein muss.
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Es wurde aber ein elektrisches Schaltmittel vorgeschlagen, welches
sowohl das Einschalten oder Schliessen, als auch das Unterbrechen eines elektrischen
Wechselstromes am Nulldurchgang des Wechselstroms besogen soll.
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Vs ist offenbar, dass die Restandteile des elektronischen Schaltmittels
dabei so dimensioniert sein müssen, dass sie kräftige Ströme während einer langen
Zeit; vertragen, was das Schaltmittel wesentlich verteuert Ausserdem wird der kräftige
Strom durch das Sehaltmittel eine starke Wärmeentwicklung aufgrund des relativ schlechtem
Wirkungs grades, auslösen.
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Die vorlierende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, welche
die Schliessung eines auf einer Leitung auftretenden Wechselstromes an dessen Nulldurchgang
und die Unterbrechung des auf der Leitung auftretenden Wechselstromes an dessen
Nulldurchgang ermöglicht. Die Vorrichtung bedient sich eines meebanijehen Schaltmittels,
eines zu diesen gehörenden Kontakt, sowei ein elektronisches Schaltmittel T)«rch
eine Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung wird ermöglicht, die Komponenten
des elektronischen Schaltmittels im Verhiltnis ziim Nenneffekt der Vorrichtung zu
verkleinern, nachdem das elektronische ochaltmittel nur für das Einschalten oder
Ausschalten von Effekt während einer kurzen Zeit in Betätigung ist.
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Was in erster Linie als kennzeichnend fiir eine Vorrichtung gemäss
vorliegender Erfindung ist, wird im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1
angegeben Einc derzcit vorgeschlagende Ausführungsform, welche die für die vorliegende
Erfindung besonderen kennzeichen aufweist, wird mit hinweis auf die beigefügte Zeichnung
beschrieben, in welcher Figur 1 in Blockdiagrammform den prinzipiellen Aufbau der
Vorrichtung zeigt, Figur 2 ein Zeitablaufschema über den Geschehnisablauf für die
verschiedenen Organe der Ausführungsfomr gemäss Fig. 1 zeigt, und
Figur
3 ein Beispiel einer schaltungstechnischen Schemazeichnung über eine Vorrichtung
gemäss der vorliegenden Erfindung, bei Verwendung in einer zeitproportionalen Steuerung
eines Wärmeapparates zeigt.
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In Fig. 1 wird demanch eine Vorrichtung gezeigt, welche dazu vorgesehen
ist, einen auf einen Leitung auftretenden Wechselstrom an dessen Nulldurchgang schliessen
bzw. unterbrechen zu können. Der Wechselstrom kommt aus einem Netz und erschient
auf den leitungen 1 und 2. In Serie mit der Leitung 2 ist eine Belastung 3 eingeschalten.
Diese Belastung 3 könnte eigentlich induktiv oder kapazi-tiv sein, aher in der nachstehenden
Bechreibung soll angenommen werden, dass die Belastung 3 resistiv oder zumindest
im wesentlichen resistiv ist, was zur Folge hat, dass der elektrische Wechselstrom
und die elektrische Wechselspannung ihre Nussdurchgänge gleichzeitig erhalten. Das
Einochalten der Belastung kann entweder über ein erstes mechnisches Schaltmittel
4 oder über ein parallel. tun ersten Schaltmittel angeschlossenes zweites elektrisches
Schaltmittel erfolgen, Dem elektronischen Schaltmittel wurde die Hinweisbezeichnung
5 gegeben.
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Das elektronische schaltorgan 5 weist vier in der Brückenschaltung
angeschlossene Dioden 5a - 5d auf. Zwischen den Verknüpfungspunkten für die Dioden
5a und 5b sowie der Dioden 5c und 5d ist ein elektronisch steuerungsbares halbleitendes
Element in Form eines Tyristors angeschlossen. Diesem Thyristor wurde die Hinweisbezeichnung
5e gegeben. Dic Steuerungselektrode des Tyristors ist über eine Leitung 6 an einen
Plustrennkreis angeschlossen, beispielsweise in Form eines Transformators oder eines
Fotoschalters. Diesem Pulstrennkreis wurde die Hinweichsbezeichnung 10 gegeben.
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Der Anschlusspunkt für die Dioden ha und 5b ist über eine Leitung
7 an eine Gleichspannungsversorgung 11 angeschlossen, vorzugsweise versehen mit
einer Steuerungsvorrichtung, welche über eine Leitung 8 von Pulstrennkreis 10 eingeschaltet
wird. Der Anschlusspunkt zwischen den Dioden 5c und 5d ist über eine Leitung; 9
an die Gleichspannungsversorgung 11 angeschlossen. Die Leitung 7 ist für ein Pluspotential
vorgesehen, worgegen die Leitung 9 ein Minuspotential vorgesehen ist.
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Von Pulstrennkreis 10 ist über eine Leitung 13 ein Relais 4, vorzugsweise
versehen mit einer Steuerungsvorrichtung 12, aktivierbar, wobei
das
Relais 4 einen Kontakt 4a betätigt, der im ersten mechanischen Schaltmittel 4 enthalten
ist.
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Der Pulstrennkreis 10 wird resteuert von einer elektrischen Steuerungsvorrichtung
14 und diese kann mit einer zeitproportionalen Nulldurchgangsregelung versehen ein.
Iln die elektronische oteuerungsvorrichtung wird über das Leitungsbündel 14a eine
Versorgangsspannung angeschlossen. Ein Kontakt 15 ist über Leitungen 15 a und 15b
an die elektronische Steuerungsvorrichtung angechlossen und die Betätigung des Kontakts
15 aktiviert die Schliessung bzw. Unterbrechung des auf die Leitung auftretenden
elektrischen Wechselstromes. Dieser Wechselstrom ist mit I bezeichnet.
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In Fig. 2 wird ein Zeitablaufschema über die Funktionen der in Fig.
1 enthaltenen Teile gezeigt. Die Kurve A zeigt den Wechselstrom bzw. die Wechselspannung,
welche auf der Leitung 1 und 2 auftritt und es wird ausserdem angenommen, dass zum
Zeitpunkt t1 der Kontakt 15 geschlossen wird, was zur Folge hat, dass die elektronische
Steuerungsvorrichtung 14 betätigt wird und über den Pulstrennkreis 10 den Wechselstrom
bzw, die Wechselspannung auf die Leitungen 1 und 2 abfühlt. Zum Zeitpunkt t2 wird
das elektronische Schaltmittel 5 betitigt, was zur Folge hat, dass dep Wochselstom
gewihrt wird, das elektronische Schaltmittel 5 1md die Belastung 3 zu passieren
Zum Zeitpunkt t2 ist der Kontakt 4a des mechanischen Schaltmittels 4 immer noch
in geöffneter Lage. Die elektronische Steuerungsvorrichtung 14 kann entweder so
beschaffen sein, dass sie gleichzeitig an das Schaltmittel 5 und das Relais 4 einen
Impuls abgibt, nachdem das Relais 4 zum Zeitpunkt eine Verzögerung hat, oder so
beschaffen, das eine Anzeige darüber abgewartet wird, dass das Schaltmittel 5 wirklich
den Strom von der Leitung 1 eingeschaltet hut, um das genannte Schaltmittel 5 und
die Belastung 3 zu passieren, bevor ein Betätigungsimpuls über den Pulstronnkreis
10 auf der Leitung 13 ausgegeben wird, um die Steuerungsvorrichtung 12 zu betätigen.
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Es wird angenommen, dass zum Zeitpukt t3 der Kontakt 4a des Relais
geschlossen wird, was zur Folge hat, dass der Strom I iiber den Kontakt Ja nun zur
Belastung 3 gelangen kann.
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Mit Rücksicht darauf, dass das elektronische 'ichaltmittel 5 nur dazu
verbunden ist, im dem llelastiingsstrom I zwischen den Zeitabschnitten
t2
und t3 den Durchgang zu ermöglichen, ist es verständlich, dass die im Schaltmittel
5 enthaltenen Organe in verhältnis zum erwarteten Wechselstrom im wesentlichen unterbemessen
sein können, da die Wärmeentwicklung im Schaltmittel 5 sehr gering wird.
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Sobnld das mechanische Schaltmittel, das 1Relais 4, eine geschlossene
Lage einnmimmt, hat das elektronische Schaltmittel 5 seine Aufgabe erfüllt und dieses
Schaltmittel könnte zum Zeitpunkt t3 völlig abgeschaltet werden oder einem schwachen
Haltstrom den Durchgang durch das halbleitende Element gewähren. Der llaltestrom
VOtJ 11 kann eventuell kurz vor den Abschalten des Relais (beispielsweise während
der Abschaltzeit) wieder eingeschaltet sein.
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Es ist berücksichtigt, dass das halbleitende Element 5e entweder durch
den Haltestrom aktiviert ist, solange der mechanische Kontakt geschlossen ist, oder
nur während einer kurzen Zcit bevor der Kontakt sich öffnet.
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Wenn angenommen wird, dass zum Zeitpunkt t5 der Kontakt 15 eine offene
Lage einnimmt, um dadurch den elektrischen Wecbselstrotn auf der Leitung 1 durch
die Belastung 3 und die Leitung 2 zu unterbrechen, soll die Steuerungsvorrichtung
für die Clcichspannungsversorgung 11 betätigt werden, um dadurch dem elektronischen
Schaltmittel 5e Strom zuzuführen. Durch diesen Strom wird das Schaltmittel 5e zum
Brennen gebracht. Zum Zeitpunkt t6 wird dem Relais ermöglicht zu fallen, w«e zur
Folge hat, dass der Kontakt 4a eine offene Lage einnimmt und der Strom I wird jetzt
nur durch das elektronische Schaltmittel 5 gelangen. Mit Hilfe des Pulstrennkreises
10 der elektronischen Steuerungsvorrichtung 14, wird jetzt das elektronische Schaltmittel
5 den Nulldurchgang des Stromes erkennen, welches zum Zeitpunkt t7 eintrifft, wobei
das Schaltmittel 5 den elektrischen Wechselstrom I unterbricht.
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Aus der vorstehenden Beschreibung über die Funktion der vorliegenden
Vorrichtung und dem Zusammenwirken der verschiedenen enthaltenen Organe untereinander,
geht hervor, dass eine separate Stromquelle 11 vorhanden ist, um das im elektronischen
Schaltmittel 5 enthaltene Halbleiterelement 5e während des Zeitabschnittes oder
eines Teiles davon brennend zu halten, solange der mechanische Kontakt 4a sich in
geschlossener Lage befindet und dabei das elektronische Schaltmittel kurzschliesst.
Der Strom I wird vom mechanischen Kontakt 4a auf das elektonische Schaltmittel 5
übernommen, wenn der mechanische
Kontsdct öffnet, welches unmittelbar
vor dem Zeitpunkt geschieht, wenn das elektronische Schaltmittel den Strom an dessen
Nulldurchgang unterbrechen soll. Der Strom I wird vom elektronischen Schaltmittel
auf den mechanischen Kontakt oder das Kontaktorgan übernommen, wenn das mechanische
Kontaktorgan eine geschlossene Lage einnimmt, welches unmittelbar nach dem Zeitpunkt
erfolgt, wenn das elektronische Schaltmittel den Strom an dessen Nulldurchgang einschalten
soll.
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Die separate Spannungs- oder Stromquelle 11 kann entweder aus einer
Gleichstrombatterie oder aus einer wechselstromgespeisten Gleichstromquelle bestehen.
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In Fig. 3 vzird ein detailiertes Schaltschema über die Vorrichtung
gemäss Fig. 1 gezeigt und aus Fig. 3 geht hervor, dass die Spannungsquelle aus 220
V Wechselstrom besteht und an die Leitungen 1 und 2 angeschlossen ist. Der Belastung
wurde die Hinweisbezeichnung 3 gegeben und diese ist über ein mechanisches Schaltmittel
4, eine Leitung 31 und eine Leitung 32 an die genannte Leitung 2 angeschlossen.
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Parallel über das mechanische Schaltmittel 4a ist das elektronische
Schaltmittel 5 eingeschalten, wobei die Gleichstromversorgung über einen Tyristor
T1 erfolgt, der an einen Kondensator C1 angeschlossen ist welcler wiederum teils
über eine Resistenz R1, teils eine Resistenz R2 an die beiden Seiten des Halbleiterelementes
5e angeschlossen ist. Ueber eine Resistenz R3 und eine Wicklung L1 eines Transformators
wird das elektronische Schaltmittel 5e (bei t2) eingeschaltet. Die Gleichstromversorgung
wird über eine Wicklung L2 des Transformators und einer Resistenz R4, angeschlossen
den Tyristor TI, eingeschaltet. Ueber eine Wicklung L3 und eine Resistenz R5 wird
ein Tyristor T2 für die Betätigung der Relaiswicklung 4 eingeschaltet.
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Sobald ein Ausgleichskreis, der angeschlossen an die elektronische
Steuerungsvorrichtung 14, in Form eines Zündkreises (beispielsweise Philips TCA
280) der von der Resistenz des Termistoren B6 betätigt wird, mehr Wärme verlangt,
werden Pulse auf der Leitung 33 ausgesandt, die über eine Resistenz Rg und eine
Wicklung L4 auf dem Transformator Pulse auf den Wicklungen L1-X3 erzeugen. Die Wicklung
L1 schaltet das halbleitende Element 5e ein, die Wicklung L2 schaltet den Tyristor
T1 ein, der einen "Haltestrom" an den Tyristor 5e gibt und die Wicklung L3 schaltet
den Tyristor T2 zur Aktivierung des Relais 4 ein. Der Kondensator C1 wird vom Gleichstrom
des Tyristors T1 aufgeladen. Wenn der ZUndkreis dle Pulse auf der Leitung 33 unterbricht
(die
Wärme soll unterbrochen werden) erlöschen die Tyristoren T1 und T2. Dadurch wird
der Strom zur Relaiswicklung 4 unterbrochen.
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Während der Abschaltzeit des Relais wird der Ilalbleiter 5e mit Strom
vom früher aufgeladenen Kondensator brenncnd gehalten. Wenn das Relais fällt, erlischt
der Ilalbleiter 5e beim ersten Nulldurchgangs nachdem der Strom vom kondensator
C1 unter einen kritischen Haltestromwert gesunken ist.
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Aufgrund der Trägheit des Relais 4 beim Zuschalten, wie auch beim
Abschalten, ist es für das elektronische Schaltmittel 5 möglich, seine Funktion
auszuführen, bevor der Kontakt 4a des mechanischen Schaltmittels eine geschlossene
bzw. unterbrochene Lage einnimmt.
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Dic Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die vorstehend als
Beispiel angegebene Ausführungsform begrenzt, sondern kann im Rahmen der nachstehenden
Patentansprüche Modifizierungen unterzogen werden.
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Es sollte beachtet werden, dass das elektronische Schaltmittel durch
die separate Stromzuführung aktiviert oder brennend gehalten werden kann, obwohl
der ganze Einschaltkreis für das elektronische Schaltmittel 5 durch den mechanischen
Kontakt 4a kurzgeschlossen ist. Die Erzeugung des genannten Stromes im Organ 11
kann selbstverständlich auf beliebige Weise erfolgen.
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In er3ter Linie sollte beachtet werden, dass das elektronische Schaltmittel
im Ausführungsbeispiel mit einer Brückenschaltung dargestellt ist, die vier Dioden
und ein halbleitendes Element enthält, welches diagonalt eingeschalten ist, dass
aber diese Schaltung auf andere Art ausgeführt sein kann, beispielsweise zwei Dioden
und zwei Tyristoren mit kurzgeschlosssener Diagonale.
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L e e r s e i t e