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Schaltungsanordnung nach dem Prinzip der Schwingungs-
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paket-Steuerung oder -Regelung Die Erfindung bezieht sich auf eine
Schaltungsanordnung zur Speisung von Verbrauchern aus einem Wechselstromnetz nach
dem Prinzip der Schwingungspaket-Steuerung oder -Regelung, bei der ein dem Verbraucher
vorgeschaltetes Schaltorgan unterschiedlich lange Einschaltsignale bzw.
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Sperrsignale erhält.
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Eine Schaltungsanordnung dieser Art ist beispielsweise in der Zeitschrift
"bauteile report" 15 (1977) Heft 3, Seiten 96 und 97 beschrieben. Ein als Schaltorgan
dienender Triac wird dabei innerhalb einer durch die Daten der Schaltung festgelegten
Schaltperiodendauer von etwa 5 sec unterschiedlich lange eingeschaltet. Das als
Tastverhältnis bezeichnete Verhältnis der Einschaltdauer zur Schaltperiodendauer
ist auf etwa 50 % begrenzt und kann in Richtung auf geringere Werte nur wenig verändert
werden.
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Schaltungsanordnungen dieser Art sind gut geeignet zur Steuerung von
Elektrowärmegeräten, wie z. B. Wärmestrahler, Nachtspeicheröfen, Herdplatten, Lötkolben
und ähnliche Geräte. Dagegen sind sie nicht einsetzbar zur Steuerung oder Regelung
von Elektromotoren, Beleuchtungen oder bei der Vorregelung von Stromversorgungen.
In diesen Fällen kommt es nämlich zu einer unregelmäßigen Funktion, d. h. zu unrundem
Lauf bei Motoren oder Flakkern der Lichtquelle.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Anwendungsbereich von
Schwingungspaket-Steuerungen zu erweitern, um damit auch die erwähnten Verbraucher
bei ordnungsgemäßer Funktion betreiben zu können.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine von der Netzfrequenz
gesteuerte Zählschaltung und eine Signalformerstufe zur Abgabe eines Sperrsignals
von der Dauer einer Periode nach Jeweils einer wählbaren Anzahl von Perioden gelöst.
Bei dieser Art der Steuerung des Schaltorgans ist nämlich die Schaltperiodendauer
wesentlich kürzer als bei den bekannten Schwingungspaket-Steuerungen und das Tastverhältnis
kann wesentlich niedriger sein, so daß beispielsweise Motoren zu einwandfreiem gleichmäßigem
Gang gebracht werden können.
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Diese Betriebseigenschaften weisen zwar auch Anschnittssteuerungen
auf, die aber einen erhöhten Aufwand für die Funkentstörung erfordern und den Netzstrom
verzerren.
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In Weiterbildung der Erfindung kann die Signalformerstufe derart ausgebildet
sein, daß sie die ihr von der Zählschaltung zugeführten Impulse von kürzerer Dauer
als eine Periode zu Sperrsignalen mit der Dauer einer vollen Periode ergänzt und
einen zu kurzen Abstand aufeinanderfolgender Sperrsignale auf eine volle Periode
erweitert.
Damit wird erreicht, daß aus dem Schwingungsband des Netzes stets nur eine ganze
Periode und nicht nur eine Halbwelle herausgeschnitten wird, wodurch unerwünschte
Gleichspannungskomponenten vermieden werden.
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An dem Eingang der Zählschaltung kann ein Filter vorgesehen sein,
das zur Unterdrückung von Anteilen der Netzspannung mit einer über der Netzfrequenz
liegenden Frequenz dient. Dadurch ist sichergestellt, daß die Zählschaltung nur
auf die normale Netzfrequenz anspricht.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand des in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Die Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung nach
der Erfindung.
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In der Fig. 2 ist die Wirkungsweise anhand von Kurvenzügen 2a-2d erläutert.
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In der Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 1 wird aus dem Wechselstromnetz
über einen Widerstand 1 eine integrierte Zeitgeberschaltung 4 angesteuert. Ein Kondensator
2 begrenzt dabei der Wechselspannung überlagerte höherfrequente Anteile, während
eine parallel zu dem Kondensator 2 geschaltete Z-Diode 3 die negativen Halbwellen
kurzschließt und die Zeitgeberschaltung 4 vor positiven Uberspannungen schützt.
Der Verbindungspunkt eines Widerstandes 5 und eines Kondensators 6 ist an den Anschlußpunkt
1 der Zeitgeberschaltung 4 angelegt.
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Hierdurch ist die mittlere Impulsbreite der als monostabile Kippstufe
arbeitenden Zeitgeberschaltung 4 festgelegt. Diese kann beispielsweise drei Perioden
der Wechselspannung betragen. Die jeweils gewünschte genaue Anzahl der Perioden
wird durch die an einem Kondensator 23 anzulegende Steuerspannung erzielt.
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Dieser Kondensator liegt an dem Anschlußpunkt 3 der Zeitgeberschaltung
4. Am Ausgang 5 der Zeitgeberschaltung 4 steht ein positiver Impuls einer durch
die Steuerspannung bestimmten Länge von einer bis n Perioden zur Verfügung, wobei
n etwa 15 erreichen kann. Dieser positive Impuls wird einer weiteren gleichen integrierten
Schaltung 12 zugeführt. Diese arbeitet gleichfalls als monostabile Kippstufe und
wird mit der abfallenden Flanke des von der Zeitgeberschaltung 4 zugeführten positiven
Impulses getriggert. Durch den Kondensator 14 und den Widerstand 13 ist die Breite
des Ausgangsimpulses der integrierten Schaltung 12 auf 1,1 Perioden der zugeführten
Wechselspannung festgelegt, damit stets nur eine ganze Periode aus dem Schwingungsband
herausgeschnitten wird. Dadurch werden unerwünschte Gleichspannungskomponenten vermieden,
die auftreten, wenn durch das Herausschneiden nur einer Halbwelle zwei aufeinanderfolgende
Halbwellen gleicher Polarität auftreten.
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Ein Widerstand 9 bildet zusammen mit einem Kondensator 11 und einer
parallel zu dem Widerstand 9 liegenden Diode 10 einen Tiefpaß, der verhindert, daß
zwischen zwei Ausblendungen nur eine Halbwelle eingeschaltet wird. Auch hier wird
also dafür gesorgt, daß mindestens für die Dauer einer Periode Spannung an den Verbraucher
angelegt wird. Ein Kondensator 15 dient zur Verbesserung der Störsicherheit der
integrierten Schaltung 12.
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Die an den Anschlußpunkten 9 und 10 der integrierten Schaltung 12
abgegebenen Ausgangsimpulse werden einem Schaltorgan 16 zugeführt, dessen Ausgangsklemmen
zusammen mit einem Verbraucher 17 in einem aus den Netzanschlüssen L und N gespeisten
Laststromkreis liegen. Das Schaltorgan 16 kann zum Beispiel ein handelsübliches
Halbleiterrelais sein, das aus einem Optokoppler, einem Nullspannungsdetektor und
einem Triac besteht. Der Ver-
braucher 17 wird durch das Schaltorgan
16 jeweils für die Dauer des gegen Massepotential durchgeschalteten Ausgangs der
integrierten Schaltung 12 bei Beginn einer Schwingung von Null an in positiver oder
negativer Richtung eingeschaltet.
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Wie bereits erwähnt, eignen sich die Schaltungsanordnungen nach der
Erfindung auch zur Drehzahlsteuerung oder -regelung von Motoren. In diesem Zusammenhang
bietet die Schaltungsanordnung die vorteilhafte Möglichkeit, einen Ubertemperaturschutz
mit geringem Aufwand zusätzlich zu verwirklichen. Hierzu ist in dem in der Fig.
1 gezeigten Beispiel ein Kaltleiter 7 in Verbindung mit einem Widerstand 8 vorgesehen,
wobei der Verbindungspunkt dieser Bauelemente an den Anschlußpunkt 4 der integrierten
Zeitgeberschaltung 4 angeschlossen ist. Der Kaltleiter 7 befindet sich dabei in
bekannter Weise in der Wicklung des Elektromotors. Signalisiert er eine zu hohe
Temperatur, so gibt die integrierte Schaltung 4 keine Steuerimpulse mehr ab und
der Motor wird ausgeschaltet.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Schaltungsanordnung
als Regler ausgebildet und hierzu mit einem Operationsverstärker 18 versehen, an
dessen invertierenden Eingang 19 der Sollwert und an dessen nichtinvertierenden
Eingang 20 der Istwert angelegt wird. Die Rondensatoren 21 und 23 sowie der Widerstand
22 sind als Integrationsglieder zur Bestimmung der Regelzeitkonstante vorgesehen,
wenn der Istwert z. B.
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einem Tachogenerator oder einem anderen Drehzahlindikator entnommen
wird. Bei geeigneter Bemessung der Regelzeitkonstante wird aus der Stufensteuerung
eine kontinuierliche Steuerung bzw. Regelung, wenn die Anzahl der durchgeschalteten
Perioden nach Jeder Ausblendung um + eine Periode verändert wird. Ferner kann die
Be-
schaltung des Operationsverstärkers 18 so bemessen sein, daß
bei maximaler Regelgröße keine Ausblendungen mehr erfolgen und die Steuerspannung
am Eingang 19 kurz vor Einstellung der maximalen Regelgröße so niedrig wird, daß
eine zwischen den Anschlußpunkt 2 der integrierten Schaltung 4 und den Eingang 19
des Operationsverstärkers 18 geschaltete Diode 24 leitend wird und die Aufladung
des Kondensators 6 bis zum Schwellwert der integrierten Schaltung 4 verhindert wird.
In der Fig. 1 ist zwischen den Ausgangsklemmen des Schaltorgans 16 noch gestrichelt
ein Widerstand 25 angedeutet, der für die niedrigste erforderliche Regelgröße bemessen
ist und zur weiteren Beruhigung der Stellspannung beiträgt. Diese Maßnahme ist dann
angebracht, wenn das Regelverhältnis den Faktor 5 nicht zu überschreiten braucht.
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Die Fig. 2a bis d zeigen charakteristische Kurvenzüge der Schaltungsanordnung
gemäß der Fig. 1 an verschiedenen Schaltungspunkten. Die Fig. 2a stellt einen ununterbrochenen
Sinuskurvenzug dar, wie ihn das speisende Wechselstromnetz zur Verfügung stellt.
Der Rechteckkurvenzug 2b steht am Ausgang der integrierten Zeitgeberschaltung 4
zur Verfügung. Dieser Kurvenzug läßt zwei negative Abschnitte unterschiedlicher
Dauer erkennen. Diese werden durch die integrierte Schaltung 12 in zwei gleich lange
positive Impulse umgewandelt, wie die Fig. 2c zeigt. Die Länge dieser Impulse ist
so bemessen, daß aus der Eingangsspannung (Fig. 2a) zwei volle Perioden herausgeschnitten
werden, so daß dem Verbraucher 17 eine Spannung entsprechend dem Kurvenzug 2d zugeführt
wird.
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3 Ansprüche 2 Figuren