DE2741745A1

DE2741745A1 - Festkoerper-schaltkreis mit schaltverzoegerung

Info

Publication number: DE2741745A1
Application number: DE19772741745
Authority: DE
Inventors: Charles Egbert Scott
Original assignee: PR Mallory and Co Inc
Current assignee: Duracell Inc USA
Priority date: 1976-09-17
Filing date: 1977-09-16
Publication date: 1978-03-30
Also published as: US4062007A; CA1086823A; GB1536375A; JPS5338255A

Description

P. R. Mallory & Co. Inc.
3029 Washington Street
Indianopolis, Ind., V.St.A.

Festkörper-Schaltkreis mit Schaltverzögerung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schalter, der den Beginn einer zeitlich gesteuerten Operationsfolge verzögert und Festkörper-Schalteinheiten enthält.

Zeitlich gesteuerte Schalter haben einen ständig zunehmenden Aufgabenbereich zu erfüllen und immer komplexere Funktionen zu steuern. Es besteht daher die Forderung, daß diese Schaltkreise einerseits noch platzsparender gebaut werden und andererseits eine noch genauere Zeitsteuerung erhalten und noch zuverlässiger werden. In vielen Anwendungsfällen sollten außerdem die Zeitsteuerzyklen erst zeitlich verzögert einsetzen, und zwar erst dann, wenn bestimmte, dem funktionsgerechten Ablauf der Operationsabfolge vorausgehende Vorgänge abgeschlossen sind. Diese (und andere) Erfordernisse erhalten vor allem dann Gewicht, wenn man die zeitlich gesteuerten Schalter in Mikrowellenöfen einbaut. Hier muß der Schalter besonders kompakt gebaut sein, eine präzise Zeitein-

809813/0806

27417Λ5

stellung haben, sofort ansprechen können und das Kochsystem zeitlich verzögert einschalten. Derartige Funktionen v/urden bisher von elektromechanischen Korabinationen aus Schaltern und anderen Vorrichtungen erfüllt. Diese Kombinationen haben jedoch ein größerers Bauvolumen und eine längere Reaktionszeit und erfüllen ihre Aufgaben weniger genau als Kombinationen aus in Festkörper-Technil: ausgeführten Anordnungen.

Um diesem Mangel abzuhelfen, wird erfindungsgemäß ein Festkörper-Schaltkreis mit Schaltverzögerung vorgeschlagen, der durch die Kombination folgender Elemente gekennzeichnet ist: einer Leistungsschaltereinheit, einer auf die Leistungsschaltereinheit ansprechendenStromversorgungseinheit, einer einmalig verzögernden Einheit (Zeitverzögerungseinheit), die einen ersten in beiden Richtungen arbeitenden (bidirektionalen) Halbleiterschalter enthält, mit der Stromversorgungseinheit elektrisch \^rerbunden ist und eine Arbeitsabfolge von Funktionen mit einer zeitlichen Verzögerung einsetzen läßt, eines auf die Zeitverzögerungseinheit ansprechenden Funktionszeitgebers, der die Funktionsabfolge zu vorgegebenen Zeiten bzw. Malen ablaufen läßt ("ansteuert¹!), einer direkt auf den Funktionszeitgeber ansprechenden, mit einem zweiten bidirektionalen Halbleiterschalter versehenen Abschalteinheit, die die Leistungsschaltereinheit bei Beendigung des Ansteuerzyklus des FunktionsZeitgebers ausschaltet, und eines auf die Abschalteinheit ansprechenden Alarmzeitgebers, der bei Beendigung des Ansteuerzyklus des FunktionsZeitgebers ein akustisches Alarmsignal eine vorgegebene Zeitlang erzeugt.

Der vorgeschlagene Schaltkreis ist eine neuartige Kombination und enthält einen Zeitgeber für ein Gerät, wie es in der US-Patentschrift 3 767 937 beschrieben ist, einen Schalter mit Zeitsteuerung gemäß der US-Patentschrift 3 046 748 und eine einmalig verzögernde Einheit, Er zeichnet sich gegenüber

809813/0806

den zum Stand der Technik zählenden Sehalterausführungen ira wesentlichen dadurch aus, daß er vollständig in einer Festkörper-Technik ausgeführt ist.

Ein erfindungsgemäßer Schaltkreis enthält, kurz gesagt, eine Leistungsschaltereinheit, eine mit der Leistungsschaltereinheit verbundene Stromversorgungseinheit, eine mit der Stromversorgungseinheit verbundene Zeitverzögerungseinheit, einen auf die Zeitverzögerungseinheit ansprechenden Funktionszeitgeber, eine auf den Funktionszeitgeber ansprechende Abschalteinheit und einen auf die Abschalteinheit ansprechenden Alarmzeitgeber. Von diesen Komponenten enthalten die Zeitverzögerungseinheit, der Funktionszeitgeber, die Abschalteinheit und der Alarmzeitgeber Festkörper-Schalter. In einer bevorzugten Ausführung enthält die Zeitverzögerungseinheit des vorgeschlagenen Schaltkreises zusätzlich zu ihrem bidirektionalen Halbleiterschalter einen ersten programmierbaren Stabtransistor; der Halbleiterschalter dient dabei

zu dazu, den Funktionszeitgeber zeitlich/verzögern, also nach Ablauf einer bestimmten Zeit, einzuschalten. Der erfindungsgeniäß vorgeschriebene zweite bidirektionale Halbleiterschalter sorgt dafür, daß der Strom zuverlässig und ohne zeitlichen Verzug bei Beendigung des Ansteuerzyklus abgeschaltet wird. Zweckmäßigerweise ist auch der Alarrazeitgeber mit einem Halbleiterschalter, und zwar mit einem unidirektionalen Halbleiterschalter ausgerüstet, der das akustische Alarmsignal nach Abschalten des Stroms auslöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.

Die Erfindung wird nun anhand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

809813/0806

2s zeigen:

Fig. 1 die einzelnen Bestandteile eines erfindungsgemäßen Schaltkreises, und zwar in ihrer Verbindung zueinander und zu einem äußeren Relais und Widerstand; und

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Schaltkreis in einem Schaltbild, das die Verknüpfung der einzelnen Elemente und Komponenten im einzelnen erkennen läßt.

Der Schaltkreis der Fig. 1, insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 versehen, enthält miteinander kombiniert eine Leistungsschal te reinheit 12, eine Stromversorgungseinheit 16, eine einmalig verzögernde Einheit (Zeitverzögerungseinheit) 18, einen Funktionszeitgeber 20, eine den Strom ausschaltende Abschalteinheit 24 und einen Alarmzeitgeber 26. Der Schaltkreis kann durch seine Leistungsschaltereinheit und über ein Relais 14 eine externe Last 86, beispielsweise einen Mikrowellenofen, betätigen. Die Arbeitsabfolge der Last 86 wird zeitlich von dem Funktionszeitgeber 20 gesteuert, dessen Ansteuerzyklus, worauf weiter unten noch näher eingegangen werden wird, durch die Zeitverzögerungseinheit 18 verzögert wird. Diese Verzögerung soll dafür sorgen, daß vorher gewisse Voraussetzungen für die Arbeitsabfolge der Last 86 geschaffen werden. Diese Arbeitsabfolge läuft nach ihrem verzögerten Start eine durch den Funktionszeitgeber 20 vorgegebene Zeitlang ab, bis die Leistungsschaltereinheit 12 durch die Abschalteinheit 24 ausgeschaltet wird. Die Abschaltung der Leistungsschaltereinheit 12 bewirkt, daß der Alarmzeitgeber 26 ein akustisches Alarmsignal eine vorgegebene Zeitlang ertönen läßt. Schaltet man die Leistungsschaltereinheit 12 ein, so werden zugleich die Stromversorgungseinheit 16 (Fig. 1) als auch eine Schaltereinheit 22 (Fig. 2) aktiviert. Die Stromversorgungseinheit 16 aktiviert die Zeitverzögerungseinheit 18, tlie ihrerseits nach Beendigung ihres An-

809813/0806

steuerzyklus den Funktionszeitgeber 20 aktiviert. Die Schaltereinheit 22 sollte, obwohl sie funktionsmäßig zum Funktionszeitgeber 20 gehört, baulich mit der Leistungsschaltereinheit 12 zusammengefaßt werden.

Wie aus der Fig. 2 hervorgeht, wird der Schaltkreis 10 an Anschlußklemmen L₁ und Lg mit einer äußeren Stromquelle verbunden. Die Leistungsschaltereinheit 12 enthält eine Anzahl von Schaltern 12', die Schaltereinheit 22 umfaßt mehrere Schalter 22'. Die Leistungsschaltereinheit 12 und die Schaltereinheit 22 sollten, wie dargestellt, als eine Baueinheit ausgeführt werden, und zwar im allgemeinen mit Druckknopfschaltern mit Doppelkontakten 11 und 11'. Bei einer solchen Schalterbauweise gehört ein Kontakt 11· zur Schaltereinheit 22 und der andere Kontakt 11 zur Leistungsschalterein-heit Die Stromversorgungseinheit 16 enthält eine Serienschaltung aus einer Diode 32, einem Widerstand 34 und einem Kondensator 36. Die Stromversorgungseinheit 16 wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um, der auf die Zeitgeberelemente des Schaltkreises gegeben wird. Der Schal tiere is kann aber auch mit einem von einer externen Stromquelle stammenden Gleichstrom arbeiten. Die Zeitverzögerungseinheit 18 enthält eine Kondensatoreinheit 38, einen Zeitgeberwiderstand 40, einen Lastwiderstand 48, ein Spannungsteilernetzwerk mit Y/iderständen 44 und 46, einen programmierbaren Stabtransistor (PST) 42, eine Diode 50 und einen bidirektionalen Halbleiterschalter 52. Dieser Schalter ist im vorliegenden Fall ein Triac 52'. Die Kondensatoreinheit 38 enthält einen Zeitgeberkondensator 38'. Die Anode des programmierbaren Stabtransistors 42 ist mit einem ersten Ende des Lastwiderstandes 48 verbunden, dessen anderes Ende auf den Verbindungspunkt J1 führt. J1 verbindet den Zeitgeberkondensator 38' mit dem Zeitgeberwiderstand 40. Das PST-Gate kontaktiert den Verbindungspunkt J2, der die Spannungsteilerwiderstände 44 und 46 verbindet.

809813/0806

Die Kathode des programmierbaren Stabtransistors steht mit der Anode der Diode 50 in Verbindung. Die Kathode dieser Diode ist ihrerseits auf das Gate des bidirektionalen Halbleiterschalters 52 geführt. Damit ist der Zeitverzögerungskreis vervollständigt. Der Ans teuerzyklus des FunktionsZeitgebers 20 beginnt, wenn der Ansteuerzyklus der Zeitverzögerungseinheit 18 durch den bidirektionalen Halbleiterschalter 52 beendet wird.

Der Funktionszeitgeber 20 umfaßt einen Komparator 21, einen Zeitgeberselektor 53 und eine Kondensatoreinheit 54, Der Zeitgeberselektor 53 ist zwischen die Stromversorgungseinheit 16 und die Kondensatoreinheit 54 geschaltet und enthält eine Vielzahl von hintereinander geschalteten Impedanzen 28, im vorliegenden Fall Zeitgeberv/iderstände 30, sowie die Schaltereinheit 22. Die V/iderstände 30 sind über jeweils zwischen benachbarten V/iderstände η befindlichen Steckdosen 31 elektrisch in Reihe geschaltet. Die Gruppe der Schalter 22' kontaktiert Stecker 29, so daß man mit einer Verbindung 88 selektiv die Schalter 22' mit einem oder mehreren der Widerstände 30 verknüpfen kann. Eine solche Verbindung könnte Steckerschnüre enthalten, mit denen sich ein Xontakt zwischen einem beliebigen Stecker und einer beliebigen Steckdose herstellen läßt. Auf diese Weise kann man verschiedene Widerstandswerte erreichen, mit denen sich die vorgegebenen Zeitspannen derart variieren lassen, daß der Funktionszeitgeber für die verschiedenen Kombinationen der Kondensatoreinheit 54 mit der Gruppe der Widerstände 30 betriebsbereit wird. Die Kondensatoreinheit 54 enthält einen Zeitgeberkondensator 54'. Zu dem Komparator 21 gehört ein programmierbarer Stabtransistor (unijunction transistor) 58 und ein Spannungsteilernetzwerk. Dieses netzwerk enthält Widerstände 62, 64 und 66; der Widerstand 64 ist ein veränderbarer Widerstand. Das Gate des programmierbaren Stabtransistors 58 ist

809813/0806

mit den veränderbaren Widerstand 64 verbunden, die PST-Anode kontaktiert über einen Lastwiderstand 56 die Gruppe der Impedanzen 28. Die Kathode des programmierbaren Stabtransistors ist auf einen bidirektionalen Halbleiterschalter 68 der Abschalteinheit 24 und über einen Lastwiderstand 60 an Masse geführt.

Die Abschalteinheit 24 umfaßt ein Relais 70, das in Reihe mit dem bidirektionalen Halbleiterschalter 68 geschaltet ist. Das Relais enthält eine Spule 70^f. Der bidirektionale Halbleiterschalter 68 enthält im vorliegenden Fall einen Triac 68'. Der Schalter 68 ist mit seiner Anode auf die Spule 70, mit seiner Kathode an Masse und mit seinem Gate auf den Komparator 21 des FunktionsZeitgebers 20 geführt.

Der Alarmzeitgeber 26 spricht auf die Abschalteinheit 24 an. Er enthält eine Diode 72, einen Zeitgeberwiderstand 74, eine Kondensatoreinheit 80, Spannungsteilerwiderstände 76 und 78, einen unidirektionalen Halbleiterschalter 82 und einen elektromechanischen Summer 84. Der unidirektionale Halbleiterschalter des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann ein steuerbarer Siliziumgleichrichter (SCR) 82· sein. Die Diode 72, der Widerstand 74 und die Kondensatoreinheit 80 liegen zueinander in Reihe, die Spannungsteilerwiderstände 76 und73 sind zu der Kondensatoreinheit 80 parallelgeschaltet. Das Gate des unidirektionalen Halbleiterschalters 82 kontaktiert den Verbindungspunkt J3 zwischen den Spannungsteilerwiderständen 76 und 78, die Schalter-Kathode ist mit der Seite D1 des Schal tiere ises 10 verbunden und seine Anode liegt in Reihe mit dem elektromechanischen Summer 84. Der Summer steht seinerseits mit den normalerweise offenen Kontakten 13 der Leistungsschaltereinheit 12 in Verbindung.

Der Schaltkreis arbeitet folgendermaßen: Drückt man einen der den Schaltern 12· oder 22' entsprechen-

80981 3/0806

den Druckknöpfe ganz nach unten, so v/erden zv/ei Schalterkontakte 11 und 11· durch einen federgespannten, mit der Spule 70' verbundenen Riegel 12" in ihre geschlossene Position gebracht. Die Kontakte 11 und 13 der Leistungsschaltereinheit 12 steuern den Strom in dem äußeren Relais 14, der Stromversorgungseinheit 16 und den Spannungsteilerwiderständen 44 und 46 der Zeitverzögerungseinheit 13. Die Einstellintervalle werden durch Verbindungsvorrichtungen 88. festgelegt. Diese Vorrichtungen könnten Verbindungsschnüre mit Steckern und Steckdosen enthalten, mit denen sich selektiv ein mit einem Schalter 22' verbundener Stecker 29 mit einer einen, der Widerstände 30 kontaktierenden Steckdose 31 in Verbindung bringen läßt. Auf diese Weise lassen sich verschiedene Widerstandswerte erhalten, mit denen die festgelegten Zeitspannen für jeden einzelnen Schalter 22' variiert werden können. Diese Schalter kontaktieren jeweils die gewählten Zeitgeberwiderstände 30 zwischen der Stromversorgungseinheit 16 und dem Zeitgeberkondensator 54*, Der Funktionszeitgeber 20 erhält allerdings keinen Strom, weil der bidirektionale Halbleiterschalter 52 der Zeitverzügerungseinheit 18 ausgeschaltet ist. Fließt Strom von der Stromversorgungseinheit 16 durch den Zeitgeberwiderstand ^O, so beginnt die Ladung auf dem Zeitgeberkondensator 33' anzuwachsen. Während sich der Kondensator 38· auflädt, sinkt die Spannung an der Anode des PST 42. Sobald die Anodenspannung einen Viert unterhalb der Gatespannung, die durch die Widerstände 44 und 46 vorgegeben wird, erreicht, wird der PST 42 leitend und gibt auf das Gate des bidirektionalen Halblaiterschalters 52 über eine Sperrdiode Strom. Dieser Strom schaltet den Schalter 52 ein, so daß der Funktionszeitgeber 20 Spannung empfängt. Wenn nun Strom von der Stromversorgungseinheit 16 über den oder die Zeitgeberwiderstände 30 zum Zeitgeberkondensator 54' zu fließen beginnt, fängt die Spannung über dem Zeitgeberkondensator 54' an zu steigen. Überschreitet die am Kon-

809813/0806

densator 54' anliegende Spannung die Anodenspannung des PST 58, die durch die Spannungsteilerwiderstände 62, 64 und 66 vorgegeben wird, so wird der PST 58 leitend. Dadurch erhält der bidirektionale Halbleiterschalter 68 an seinem Gate Spannung und wird leitend. Bei leitendem Schalter 68 fließt Strom durch die Spule 70' und aktiviert den Riegel 12", der seinerseits die Schalter 12' und 22' freigibt und somit in ihre Position "OFFEN" zurückgehen läßt. Mit Öffnung der Schalter 12' und 22· werden das externe Relais 14 und die Stromversorgungseinheit 16 ausgeschaltet, mit der Folge, daß die äußere Last abgeschaltet wird und der Ansteuerzyklus der Arbeitsabfolge zu Ende geht. Allerdings ist während des Ansteuerzyklus des FunktionsZeitgebers 20 der Zeitgeberkondensator 80^f über die Diode 72 und den Zeitgeberwiderstand 74 aufgeladen worden. Da die Diode 72 den Rückweg des Stroms sperrt, bleibt der Zeitgeberkondensator 80' so lange geladen, bis die Leistungsschaltereinheit 12 in ihre Position "OFFEN" zurückgebracht wird. Bei dieser Schalterstellung kann die Ladung durch den unidirektionalen Halbleiterschalter 82 und den elektromechanischen Summer 84 zurückfließen. Demgemäß wird der Schalter 82 in dem Augenblick, in dem die Leistungsschaltereinheit 12 zu ihrer Position "OFFEN" zurückkehrt, durch die im Zeitgeberkondensator 80' gespeicherte Spannung eingeschaltet. Sobald sich der Kondensator 80^f durch den unidirektionalen Halbleiterschalter 82 und den Summer 84 geladen hat, schalten beide Bauteile ab und beenden damit den Steuerzyklus des Alarmzeitgebers 24.

809813/0806

L e e r s e i t e -Λ3-

Claims

Patentanwälte au/ο /λ xcAf ■ L 2 Dipl. !ng. H. Weidmann, Dipl. phys. J-. <. Finckj ** Dipl. Ing. F. Λ. Weidmann, Dipl. Chef·· o. Huber Df.-tng. H. Liska 97Δ1745 22, CCCO Hünchen 36 L· I H ι ι **> P. R. Mallory & Co. Inc. DXV Washington Street Indianopolis, Ind., V.St.A. Patentansprüche

1.)Festkörper-Schaltkreis mit Schaltverzögerung, gekennzeichnet durch die Kombination

- einer Leistungssehaltereinheit (12),

- einer auf die Leistungsschaltereinheit (12) ansprechenden Stromversorgungseinheit (16),

- einer einmalig verzögernden Einheit (Zeitverzögerungseinheit 18), die einen ersten in beiden Richtungen arbeitenden (bidirektionalen) Halbleiterschalter (52) enthält, mit der Stromversοrgungseinheit (16) elektrisch verbunden ist und eine Arbeitsabfolge von Funktionen mit einer zeitlichen Verzögerung einsetzen läßt,

- eines auf die Zeitverzögerungseinheit (18) ansprechenden FunktionsZeitgebers (20), der die Funktionsabfolge zu vorgegebenen Zeiten bzw. Malen ablaufen läßt ("ansteuert") ,

- einer direkt auf den Funktionszeitgeber (20) ansprechenden, mit einem zweiten bidirektionalen Halbleiterschalter (68) versehenen Abschalteinheit (24), die die Leistungsschaltereinheit (12) bei Beendigung des Ansteuerzyklus des FunktionsZeitgebers (20) ausschaltet, und

- eines auf die Abschalteinheit (24) ansprechenden Alarmzeitgebers (26), der bei Beendigung des Ansteuerzyklus des FunktionsZeitgebers (20) ein akustisches Alarmsignal eine vorgegebene Zeitlang erzeugt.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitverzögerungseinheit (18) einen ersten programmier-

809813/0806 -

-2- 27ΑΊ7Λ5

baren Stabtransistor (PST 42) enthält.

3. Schaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode des ersten programmierbaren Stabtransistors (42) mit der Anode einer Diode (50) verbunden ist, und daß die Kathode der Diode (50) mit dem Gate des ersten bidirektionalen Halbleiterschalters (52) in Verbindung steht.

4. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der erste bidirektionale Halbleiterschalter (52) einen Triac (52») enthält.

5. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionszeitgeber (20) eine Gruppe von Schaltern (Schaltereinheit 22, Schalter 22«)» eine Gruppe von Impedanzen (Widerstände 30), eine Verbindungsschnur (88) und eine Kondensatoreinheit (54) enthält, wobei die Verbindungsschnur (88) wenigstens einen der Schalter (22') mit wenigstens einer der Impedanzen (30) verbindet und die Kondensatoreinheit in Reihe mit der Impedanzgruppe liegt.

6. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionszeitgeber (20) einen Komparator (21) enthält.

7. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (21) einen zweiten programmierbaren Stabtransistor (58) enthält.

8. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite bidirektionale Halbleiterschalter (68) einen Triac (68·) enthält.

809813/0806

9. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschalteinheit (24) ein Relais
(70) enthält.

10. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Alannzeitgeber (26) einen unidirektionalen Halbleiterschalter (82) und einen elektromechanischen Summer (84) enthält.

11. Schaltkreis nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der unidirektionale Halbleiterschalter (82) einen gesteuerten Siliziumgleichrichter (82') enthält.

12. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch seine Verwendung in einem Mikrowellenofen.

80981 3/0806