DE2734375A1

DE2734375A1 - Zeitsteuer-schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE2734375A1
Application number: DE19772734375
Authority: DE
Inventors: Richard Hanley Smith
Original assignee: Plessey Handel und Investments AG
Current assignee: Plessey Overseas Ltd
Priority date: 1976-07-30
Filing date: 1977-07-29
Publication date: 1978-02-02
Also published as: GB1581550A

Description

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Patentanwälte Dipl.-lng. Oipl.-Chem Dipt-mg.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstraese 19

8 München 60

Unser Zeichen; P 2340 28.JuIi 1977

PLESSEY HANDEL UND INVESTMENTS AG Gartenstrasse 2 6300 Zug, Schweiz

Zeitsteuer-Schaltungsanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zeltsteuer-Schaltungsanordnung , insbesondere zur Verwendung zur Wechselstrom-Regelung unter Anwendung sogenannter Proportionalregler.

Bei der Wechselstrom-Leistungsregelung in Heizgeräten, Transformatoren, Relais, Ein/Aus-Glühlampenreglern, Ein/Aus-Motorreglern ist es Immer üblicher geworden, beim Regeln der der Schaltung zugeführten Energie sogenannte Nullspannungs-Schaltverfahren anzuwenden, bei denen bei den Spannungsnulldurchgängen der Versorgungsspannung Impulse erzeugt werden, die dazu benutzt werden, beispielsweise ein Triac-Schaltelement in den leitenden Zustand zu schalten, das dann im leitenden Zustand bleibt, bis die Versorgungsspannung wieder etwa Schw/Ba auf 0 Volt fällt. Auf diese Weise nützt der Verbraucher

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volle Halbzyklen der Versorgungsspannung im Gegensatz zu Teilhalbzyklen aus, wie es bei herkömmlichen Leistungsschaltungen mit Phasenregelung der Fall war, so daß Ubergangsstromlmpulse und damit HF-Störungen praktisch völlig eliminiert werden.

Wie das einfache Ein/Ausschalten, das den Nachteil hat, daß unvermeidlich ein überschwingen erhalten wird, werden in zunehmendem Naß auch proportional wirkende Regelanordnungen angewendet, in denen eine Sägezahnkurve erzeugt wird, die typischerweise rampenförmlg oder dreieckförmig verläuft und zusammen mit einem Fühler, beispielsweise einem Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizient, bei der Temperaturregelung zur Regelung der Anzahl von Ziindimpulsen verwendet wird, die dem Triac-Schaltelement zugeführt werden. Bei der Temperaturregelung tritt dabei bei der gewünschten Temperatur eine gewisse Anzahl von Impulsen auf, die abhängig davon, um wieviel die absolute Temperatur von der Solltemperatur abweicht, proportional vergrößert oder verkleinert wird. Wenn die absolute Temperatur um einen kleinen Betrag unter der Solltemperatur liegt, dann würde die Anzahl der ZUndimpulse um einen kleinen Betrag erhöht, während bei einer um einen großen Betrag unter der Solltemperatur liegenden absoluten Temperatur die Anzahl der ZUndimpulse um einen großen Betrag vergrößert würde.

In manchen Ländern kommt es zu gesetzlichen Bestimmungen, mit denen angestrebt wird, die Auswirkungen sogenannter Flackerstörungen durch Reduzierung der Zeitpunkte herabzusetzen, an denen die Versorgungs-

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spannung in einer gegebenen Zeitperiode geschaltet werden kann. Die Zeitperiode zwischen aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen wird normalerweise von der zu schaltenden Leistung abhängig gemacht; typischerweise kann die Zelt, perlode für einen Verbraucher mit 2200 Watt 32 Sekunden, für einen Verbraucher mit 1600 Watt 14 Sekunden und für einen Verbraucher von 1200 Watt 6 Sekunden betragen. Zur Einhaltung dieser gesetzlichen Bestimmungen wurde die Verwendung des Proportionalregelsystems vorgeschlagen, wobei dafür gesorgt 1st, daß die Periode der Sägezahnkurve der minimalen Zeitperiode zwischen Schaltvorgängen entspricht. Ein solches System ist als zeltproportionales Regelsystem oder als Regelsystem mit gesteuerter Schaltrate bezeichnet worden. Zur Erzielung einer Sägezahnkurve, die sich für die Verwendung bei Verbrauchern mit hoher Wattzahl eignet, muß eine Sägezahnperiode in der Größenordnung von 50 biä 35 Sekunden erzeugt werden.

Zur Erzeugung der Sägezahnkurve wird unabhängig davon, ob sie eine rampenförmige oder dreieckförmige Gestalt hat, normalerweise von einer Zeitsteuerschaltung Gebrauch gemacht, die einen Kondensator enthält,der entweder aus einer Stromquelle oder über einen Widerstand zur Erzeugung der Amplituden-Zeit-Kennlinie aufgeladen wird. Für zahlreiche Anwendungsfälle sind nur Schaltungen mit relativ kurzen Zeitkonstanten erforderlich, doch werden bei dem oben erwähnten zeitproportionalen Regelsystem Zeitkonstanten in der Größenordnung von 30 bis 35 Sekunden benötigt; zur Erzielung solcher Zeitkonstanten müssen normalerweise große und teure, hohe Kapazitätswerte von beispielsweise 66 uF aufweisende Elektrolytkondensatoren oder möglicherweise auch zur Erzielung des erforderlichen niedrigen Leckstroms und der kleinen

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Toleranzen Tantalkondensatoren verwendet «erden. Die Kapazitästoleranz 1st auch nicht immer so gut, wie es erforderlich sein kann.

Mit Hilfe der Erfindung soll eine Zeitsteuer-Schaltungsanordnung geschaffen werden, die sich insbesondere jedoch nicht ausschließlich zur Wechselstrom-Leistungsregelung unter Anwendung proportional wirkender Regelsystemsauf der Grundlage der Nullschaltverfahren eignet.

Nach der Erfindung ist eine Zeitsteuer-Schaltungeanordnung der geschilderten Art gekennzeichnet durch eine Kondensatorvorrichtung, eine Ladevorrichtung zu» Aufladen der Kondere atorvorrichtung und eine Ladungszerhacke rvarrichtung, die die Ladung der Kondensatorvorrichtung in der Veise zerhackt, daß sich eine Erhöhung der wirksamen Zeitkonstante der Schaltung abhängig von Tastverhältnis der Ladungszerhackervorrlchtung ergibt.

Wenn das Tastverhältnis auf beispielsweise 9:1 oder 99:1 eingestellt wird, wird eine Ladungszerhackerfunktion erhalten, bei der die Zeitkonstante je nach Fall auf das zehn- oder hundertfache erhöht wird.

Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Ladungszerhackervorrichtung eine in Serie zur Kondensatorvorrichtung geschaltete Schaltervorrichtung enthält. Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, daß die Ladungszerhackervorrichtung eine in Serie zur Kondensatorvorrichtung liegende Diodenvorrichtung sowie eine parallel zur Serienschaltung aus der Diodenvorrichtung und der Kondensatorvorrichtung liegende Schaltervorrichtung enthält; vorzugsweise ist vorgesehen, daß der Schaltervorrichtung ein Impulsgenerator

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zur Steuerung ihres Tastverhältnisses zugeordnet ist.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß zur Erzeugung einer Sägezahnkurve ein erster Komparator vorgesehen ist, der abhängig von der Spannung an der Kondensiervorrichtung arbeitet und ein Ausgangssignal abgibt, wenn die Spannung an der Kondensatorvorrichtung einen ersten Bezugsspannungswert Übersteigt, wobei das Ausgangssignal dazu verwendet wird, die Entladung des Kondensators herbeizuführen. Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, daß ein zweiter Komparator vorgesehen ist, der abhängig von der Spannung an der Kondensatorvorrichtung ein Ausgangssignal abgibt, wenn diese Spannung unter einen zweiten Bezugsspannungswert absinkt, wobei dieses Ausgangssignal zur Beendigung der Entladung der Kondensatorvorrichtung und zur Auslösung einer erneuten Aufladung verwendet wird.

Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

Fig.1 ein schematisches Blockschaltbild einer Zeitsteuer-Schaltungsanordnung nach der Erfindung, und

Fig.2 eine weitere AusfUhrungsform der erfindungsgemäßen Zeitsteuer-Schaltungsanordnung.

In Fig.1 der Zeichnung ist ein Kondensator 1 dargestellt, der vorzugsweise Über einen elektronischen Schalter 3 aus einer Stromquelle 2 aufgeladen wird. Der Schalter 3 ist so ausgebildet, daß er mittels eines Impulsgenerators betätigt wird und daß er ein Tastverhältnis von typischerweise 99:1 aufweist, d.h. daß er für die Dauer einer Zeit-

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periode geschlossen und für die Dauer von 99 Zeitperioden geöffnet ist. Auf diese Weise wird der Ladestromkreis des Kondensators 1 unterbrochen, was dazu führt, daß am Kondensator 1 eine Treppenspannung entsteht. Dies bewirkt eine Erhöhung der effektiven Zeitkonstante der Schaltung um das Hundertfache; als Alternative dazu kann die gleiche Zettkonstante mit einem Kondensator erhalten werden, dessen Wert hundert mal kleiner ist.

Zur Erzielung einer Rampenkurve vom Kondensator 1 wird die an ihm anliegende Treppenspannung an zwei Spannungskomparatoren 5 und 6 angelegt, wobei der Komparator 6 so ausgebildet ist, daß er ein Ausgangssignal abgibt, wenn die Kondensatorspannung einen hohen ihm zügeführten Bezugswert 7 überschreite; das Ausgangssignal des Komparators 5 wird über eine Logikschaltung 3 einer Kondensatorentladeschaltung 9 zugeführt, die die Entladung des Kondensators 1 bewirkt. Die Spannung am Kondensator 1 wird auch an den anderen Komparator 6 angelegt, der so ausgebildet 1st, daß er ein Ausgangssignal abgibt, wenn die Kondensatorspannung unter einen ihm zugeführten niedrigen Bezugswert 10 abfällt. Auf diese Weise gibt der Komparator 6 ein Ausgangssignal ab, wenn bei der Entladung des Kondensators 1 dessen Spannung unter den niedrigen Bezugswert 10 fällt, wobei dieses Ausgangssignal dann über die Logikschaltung θ der Kondensatorentladeschaltung 9 zugeführt wird, damit die Entladung des Kondensators 1 beendet wird und dessen Aufladung ermöglicht wird.

Die daraus resultierende Spannung am Kondensator 1

hat einen treppenförmigen Verlauf, der für die Verwendung

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in einem proportional wirkenden Regelsystem bei der Wechsel. strom-Leistungsregelung ideal geeignet ist. Bei einem zeitproportionalen Regelsystem hat sich gezeigt, daß mit einem üblichen Kondensator (kein Elektrolytkondensator) mit einer Kapazität von 1/UF eine Zeitkonstante von 30 Sekunden im Vergleich zum üblichen Elektrolytkondensator mit 68 uF erhalten werden kann.

In Fig.2 der Zeichnung ist eine weitere AusfUhrungsform der Schaltungsanordnung dargestellt, in der anstelle eines in Serie liegenden elektronischen Schalters nach der Anordnung von Flg.1 ein paralleler elektronischer Schalter benutzt wird. Die Zeitsteuerschaltung von Fig.2 entspricHbim Grunde der Schaltung von Fig.1, wobei für die gleichen Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet wurden, doch ist in diesem Fall in Serie zur Ladeschaltung des Kondensators 1 eine normalerweise im Durchlaßbetrieb arbeitende Diode 11 geschaltet, und ein vom Impulsgeneratork betriebener vorzugsweise elektronischer Schalter 12 liegt parallel zur Serienschaltung aus der Diode 11 und dem Kondensator 1. Der Impulsgenerator k ist wieder so ausgebildet, daß er ein Tastverhältnis von typischerweise 99:1 hat, doch arbeitet er in diesem Fall so, daß der Schalter 12 für die Dauer einer Zeitperiode geöffnet und für die Dauer von 99 Zeitperioden geschlossen ist. Wenn der Schalter 12 geöffnet ist, kann sich der Kondensator 1 aus der Stromquelle 2 aufladen, während bei geschlossenem Schalter 12 der Ladestrom am Kondensator 1 vorbeifließt, der sich jedoch auf Grund der in Sperrichtung vorgespannten Diode 11 nicht entladen kann. Der Rest der Schaltung arbeitet in der gleichen Weise wie die

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Schaltung von Fig. 1.In manchen Anwendungsfällen kann es zur Reduzierung der Kondensatorbelastung zweckmässlg sein» den Eingang des !Comparators 5 am Verbindungspunkt zwischen der Stromquelle 2 und der Diode 11 anzuschließen, doch muß der Komparator 5 in diesem Fall die Fähigkeit haben, mit einen zerhackten Eingangssignal zufriedenstellend zu arbeiten. Sowohl in der Schaltungsanordnung von Fig.1 als auch in der Schaltungsanordnung von Fig.2 kann anstelle der Stromquelle 2 zur Aufladung des Kondensators 1 eine herkömmliche ohmsche Ladeschaltung verwendet werden.

Die beschriebenen Zeitsteuerschaltungen werden zwar insbesondere zur Wechselstrom-Leistungsregelung unter Verwendung von Proportionalreglern eingesetzt, doch können eie auch auf anderen Gebieten benutzt werden, wo eine kerhackte Sägezahnkurve Anwendung findet.

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Claims

Patentansprüche

1.IZeitsteuer-Schaltungsanordnung zur Wechselstrom-Leistungs- ^—s regelung, gekennzeichnet durch eine Kondensatorvorrichtung, eine Ladevorrichtung zum Aufladen der Kondensatorvorrichtung und eine Ladungszerhackervorrichtung, die die Ladung der Kondensatorvorrichtung in der Weise zerhackt, daß sich eine Erhöhung der wirksamen Zeitkonstante der Schaltung abhängig vom Tastverhältnis der Ladungszerhackervorrichtung ergibt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungszerhackervorrichtung eine in Serie zur Kondensatorvorrichtung geschaltete Schaltervorrichtung enthält.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungszerhackervorrichtung eine in Serie zur Kondensatorvorrichtung liegende Diodenvorrichtung

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sowie eine parallel zur Serienschaltung aus der Diodenvorrichtung und der Kondensatorvorrichtung liegende Schaltervorrichtung enthält.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltervorrichtung ein Impulsgenerator zur Steuerung ihres Tastverhältnisses zugeordnet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer Sägezahnkurve ein erster Komparator vorgesehen ist, der abhängig von der Spannung an der Kondensatorvorrichtung arbeitet und ein Ausgangssignal abgibt, wenn die Spannung an der Kondensatorvorrichtung einen ersten Bezugsspannungswert übersteigt, wobei das Ausgangssignal dazu verwendet wird, die Entladung des Kondensatois herbeizufuhren.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Komparator vorgesehen ist, der abhängig von der Spannung an der Kondensatorvorrichtung ein Ausgangssignal abgibt, wenn diese Spannung unter einen zweiten Bezugsspannungswert absinkt, wobei dieses Ausgangssignal zur Beendigung der Entladung der Kondensatorvorrichtung und zur Auslösung einer erneuten Aufladung verwendet wird.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Entladeschaltung zum Entladen der Kondensatorvorrichtung.

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8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladevorrichtung eine Stromquelle ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladevorrichtung eine ohmsche Ladeschaltung ist.

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