DE3112045A1

DE3112045A1 - Nullspannungsschaltanordnung

Info

Publication number: DE3112045A1
Application number: DE19813112045
Authority: DE
Inventors: Eugen W. Ing.(grad.) 1000 Berlin Oberdörfer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-03-24
Filing date: 1981-03-24
Publication date: 1982-10-07
Also published as: DE3112045C2

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen

Berlin und München VPA 81 P 3706 DE

NuIIspannungsschaltanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Nullspannungsschaltanordnung mit mindestens einer Schaltungsstufe zur Erzeugung eines Schaltsignals zum Zeitpunkt der Nulldurchgänge einer Wechselspannung, mit mindestens einer Diode, über die ein Anschluß der Schaltungsstufe mit einer Klemme einer die Wechselspannung abgebenden Quelle verbunden ist, und mit mindestens einem Schaltungselement, das vom Schaltsignal der mindestens einen Schaltungsstufe anregbar ist.

Bei einer bekannten Nullspannungsschaltanordnung dieser Art ("Halbleiter-Schaltbeispiele", Ausgabe 1971/72, S. 151 und 152 der Siemens AG) ist eine als Stromquellenschaltung ausgebildete Schaltungsstufe über eine Diode an eine Klemme einer Wechselspannungsquelle angeschlossen; der andere Anschluß der Stromquellenschaltung ist an den Steuereingang eines Steuerelements in Form eines Triac geführt. Der Triac liegt bei der bekannten Anordnung mit einem weiteren Anschluß an der anderen Klemme der Wechselspannungsquelle und ist mit einem anderen Anschluß über einen Verbraucher an die eine Klemme der Wechselspannungsquelle angeschaltet. Die Stromquellenschaltung ist so aufgebaut, daß sie in der Nähe der Nulldurchgänge der von der Wechselspannungsquelle abgebenen Wechselspannung ein Schaltsignal auf den Steuereingang des Triacs gibt, so daß mittels des Triacs jeweils für eine Periode der Wechselspannung oder ein Vielfaches davon ein durch den Verbraucher fließender Strom eingeschaltet werden kann.

3 Sby / 18 .03.1981 _ßAD ORIGINAL

VPA 81 P 3706 DE

Mit dieser bekannten Nullspannungsschaltanordnung ist zwar eine Einschaltung des Stromes in nächster Nähe des Nulldurchgangs der Wechselspannung gewährleistet, so daß nahezu keine störenden Funken beim Schaltvorgang entstehen können, jedoch verbleibt hier ein geringer Winkelfehler zwischen dem tatsächlichen Nulldurchgang der Wechselspannung und dem Schaltzeitpunkt des Steuerelementes. Die Erzeugung eines exakt beim Nullspannungsdurchgang der auch als Speisespannung dienenden Wechselspannung auftretenden Schaltsignals ist bei der bekannten Anordnung insofern schwierig, als zu diesem Zeitpunkt kein ausreichender Speisestrom für die Schaltungsstufe zur Verfügung steht und somit erst ein geringfügiges Ansteigen der Wechselspannung erfolgen muß, um die Erzeugung eines Schaltsignals zu ermöglichen, was zu dem Winkelfehler führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine NuIlspanungsschaltanordnung zu schaffen, bei der ein Winkelfehler zwischen dem tatsächlichen Nulldurchgang der Wechselspannung und dem Zeitpunkt der Erzeugung des Schaltsignals weitestgehend vermieden ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Nullspannungsschaltanordnung der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß der andere Anschluß der Schaltungsstufe an einen Anschlußpunkt einer Vorspannungsschaltung angeschlossen, deren anderer Anschlußpunkt mit der anderen Klemme der die Wechselspannung abgebenden Quelle verbunden ist; die Vorspannungsschaltung ist so ausgeführt, daß sie im Nulldurchgang der Wechselspannung die Schaltungsstufe mit einer Vorspannung einer Polarität beaufschlagt, die der Polarität der nach dem jeweiligen Nulldurchgang folgenden Halbwelle der Wechselspannung entspricht.

BAD

- -a- - VPA 81 P 3706 DE

Bei der erfindungsgemäßen Schaltanordnung wird während des Verlaufs einer Halbwelle der Wechselspannung eine Gleichspannung als Vorspannung erzeugt, die sich zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs mit der Polarität der folgenden Halbwelle der Wechselspanung an der Schaltungsstufe überlagert. Das Schaltsignal wird zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs also mit Hilfe der Vorspannung erzeugt; erst wenn die Wechselspannung einen ausreichenden Wert zur Stromversorgung der Schaltungsstufe aufweist, wird das Schaltsignal von der Schaltungsstufe allein aufrecht erhalten.

Vorteilhaft ist die erfindungsgeraäße Nullspannungsschaltanordnung insofern, als sich zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs der Wechselspannung die mit der Vorspannungsschaltung erzeugte Vorspannung der Wechselspannung als Speisespannung der mindestens einen Schaltungsstufe überlagert, wodurch die Speisespannung im Nulldurchgang auf ein Niveau angehoben wird, bei dem die Schaltungsstufe das Schaltsignal abgibt. Ein Winkelfehler zwischen dem Nulldurchgang der Wechselspannung und dem Schaltsignal ist dadurch vermieden.

In vorteilhafter Weise enthält bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Schaltungsstufe das Schaltungselement; das Schaltungselement besteht aus einer Leuchtdiode und einem optisch mit ihr gekoppelten lichtempfindlichen Transistor. Durch die Verwendung einer Leuchtdiode und eines lichtempfindlichen Transistors als Opto-Koppler .ist auf einfache Weise eine potentialgetrennte Übertragung des Schaltsignals der Schaltungsstufe möglich. Durch die äußerst geringen Schaltzeiten eines Opto-Kopplers ist gewährleistet, daß das Schaltsignal genau zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs der Wechselspannung durch das Schaltungselement übertragen wird.

BAD

■(ο-

_ J* VPA 81 P 3706 DE

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind zwei Schaltungstufen vorhanden, die mit ihrem einen Anschluß über jeweils eine Diode mit der einen Klemme der Wechselspanungsquelle verbunden sind, wobei die Dioden entgegengesetzt gepolt sind. Bei einer solchen Nullspannungsschaltanordnung kann auf einfache Weise ein Schaltsignal sowohl beim Nulldurchgang von der positiven zur negativen als auch von der negativen zur positiven Halbwelle der Wechselspannung erzeugt werden. Es ist somit möglich, Schaltsignale nach jeder Halbwelle der der Wechselspannung zur Verfügung zu stellen, was für viele Anwendungsfälle vorteilhaft ist; beide Schaltungsstufen mit den Schaltungselementen können hierbei in gleicher Weise aufgebaut sein, es ist nur auf die Polung der Dioden zu achten.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Vorspannungsschaitung aus zwei in Reihe geschalteten, entgegengesetzt gepolten . Zenderioden und einem zu beiden Zenerdioden parallelgeschalteten Kondensator besteht. Dadurch, daß' zwei in Reihe geschaltete, entgegengesetzt gepolte Zenerdioden vorhanden sind, erzeugt die Vorspannungsschaltung auf einfache Weise sowohl während des Nulldurchgangs von der positiven zur negativen als auch während des Nulldurchgangs von der negativen zur positiven Halbwelle eine Vorspannung, die sich der Speisespannung der jeweils aktivierten Schaltungsstufe überlagert und somit einen Speisestrom zur Verfügung stellt.

Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert, wobei Fig. 1 eine Prinzipschaltung der erfindungsgemäßen Nullspannungsschaltanordnung ,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Nullspannungsschaltanordnung,

Fig. 3 eine Ausführungsform der Schaltungselemente und Fig. 4 Verläufe der in der Nullspannungsschaltanordnung auftretenden Spannungen darstellt.

VPA 81 P 3706 DE

Bei der in der Fig. 1 gezeigten Nullspannungsschaltanordnung liegt an Klemmen 1 und 2 eine Wechselspannung Ue an; an die Klemme 1 sind die Kathode einer Diode 3 und die Anode einer weiteren Diode 4 geschaltet. Die Anode der Diode 3 ist mit einem Anschluß 5 einer Schaltungstufe 6 verbunden; die Kathode der Diode A ist mit einem Anschluß 7 einer weiteren Schaltungsstufe 8 verbunden. Die Schaltungsstufen 6 und 8 enthalten jeweils Schaltungselemente 9 und 10, die hier als Opto-Koppler ausgeführt sind. Die jeweils andereruAnschlüsse TT und 12 der Schaltungsstufen 6 und 8 sind an einen Anschlußpunkt 13 einer Vorspannungsschaltung 15 geführt, deren anderer Anschlußpunkt 16 mit der Klemme 2 der Wechselspannung verbunden ist,

Gemäß der Fig. 2 sind die Schaltungsstufen 6 und 8 als Stromquellenschaltungen ausgeführt und jeweils aus einer Schaltungsanordnung mit zwei komplementären Transistoren 20 und 21 gebildet. Der npn Transistor 20 der Schaltungsstufe 6 z. B. ist mit seinem Emitter und seiner Basis über Widerstände 22 bzw. 23 an den einen Anschluß 5 geführt. Der Kollektor des Transistors 20 ist über eine Diode 24 an das Schaltungselement 9, an die Basis des pnp Transistors 21 und an eine Parallelschaltung aus einem Widerstand 25 und einem Kondensator 26 geschaltet.

Das andere Ende der Parallelschaltung ist an einem gemeinsamen Schaltungspunkt der Basis des Transistors 20 und des Kollektors des Transistors 21 geführt. Der Emitter des Transistors 21 ist über einen Widerstand 27 mit dem anderen Anschluß 11 der Schaltungsstufe 6 verbunden, an den auch das Schaltungselement 9, das eine Leuchtdiode aufweist, angeschaltet ist.

Die Schaltungsstufe 8 ist in gleicher Weise wie die Schaltungsstufe 6 aufgebaut; die Anordnung der komplementären Transistoren 20 und 21 und des Steuerelements

- VPA 81 P 3706 DE

10 ist hier gegenüber der Anordnung bei der Schaltungsstufe 6 lediglich entsprechend dem von der Diode 4 vorgeprägten Stromfluß vertauscht. In beiden Schaltungsstufen 6 bzw. 8 steuern die komplementären Transistoren 20 und 21 jeweils die Schaltungselemente 9 oder 10 an.

Die Vorspannungsschaltung 15 besteht gemäß diesem Ausführungsbeispiel aus zwei in Reihe geschalteten, entgegengesetzt gepolten Zenerdioden 28, 29 , die gemeinsam zu einem Kondensator 30 parallelgeschaltet sind.

In der Fig. 3 ist eine Ausführungsform der Schaltungselemente 9 und 10 dargestellt, die lichtempfindliche Transistoren 35 und 36 enthalten und von den in den Schaltungsstufen vorhandenen Leuchtdioden als Teile der Schaltungselemente 9 und 10 angeregt werden. Die lichtempfindlichen Transistoren 35 und 36 sind über Widerstände 37 mit einer Versorgungsspannung Us beaufschlagt. Zwischen Kollektor und Emitter der Transistoren 35 bzw. 36 sind jeweils Schaltspannungen Us1 und Us2 abnehmbar.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Nullspannungsschaltanordnung wird anhand der Fig. 2 und 4 erläutert, wobei die Fig. 4 eine Kurve AO zeigt, die den Verlauf einer Periode der Wechselspannung Ue an den Klemmen 1 und 2 darstellt; weiterhin sind der Verlauf 41 der von der Vorspannungsschaltung 15 erzeugten Vorspannung und die Verläufe 42 und 43 der Steuerspannungen an den Transistoren 35 und 36 in gleichen Zeitabschnitten dargestellt.

Im Verlauf des Anstiegs der positiven Halbwelle der Wechselspannung Ue wird - wie es aus der Kurve 40 ersichtlich ist - die Schaltungsstufe 8 über die in diesem Fall in Durchlaßrichtung betriebene Diode 4 mit einem Speisestrom versorgt; dieser Speisestrom fließt zunächst durch den Kondensator 30 der Vorspannungsschaltung 15 und lädt

BAD ORIGINAL

- VPA 81 P 3706 DE

diesen auf. Wenn die am Kondensator 30 abfallende Spannung die Durchbruchspannung (Zenerspannung) der in diesem Fall in Sperrrichtung betriebenen Zenerdiode 29- überschreitet, fließt der Speisestrom von dann ab durch die in Reihe liegenden Zenerdioden 28 und 29. Geht die Wechselspannung zwischen der positiven und der negativen Halbwelle durch Null, so erzeugt die Vorspannung Uv einen Speisestrom,, der die gleiche Strorarichtung wie der von der negativen Halbwelle der Wechselspannung Ue erzeugte Speisestrom aufweist. Zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs der Wechselspannung Ue wird also die Schaltungsstufe 6 aufgrund eines von der Vorspannungsschaltung 15 hervorgerufenen Speisestromes aktiviert, auch wenn der Momentanwert der Wechselspannung Ue Null ist. Erst im Verlauf des Anstiegs der Momentanwerte der Wechselspannung Ue erzeugt die Wechselspannung einen ausreichenden Speisestrom für die als Stromquellenschaltung arbeitende Schaltungsstufe 6 und lädt den Kondensator 30 oder die Vorspannungsschaltung 15 wieder auf.

Bei jeweiligen Nulldurchgang von der negativen zur positiven Halbwelle der Wechselspannung Ue wiederholt sich der dargestellte Funktionsablauf durch Aktivierung der Schatlungsstufe, so daß auch hier die Erzeugung eines Schaltsignals genau zum Zeitpunkt der Nulldurchgänge gewährleistet wird.

4 Ansprüche
A Figuren

Claims

- _-8—.- VPA 81 P 3706 DE Patentansprüche

1-.JNullspannungsschaltanordnung rait

—^ a) mindestens einer Schaltungsstufe zur Erzeugung 5" eines Schaltsignals zu den Zeitpunkten der Nulldurchgänge einer Wechselspannung,

b) mit mindestens einer Diode, über die ein Anschluß der Schaltungsstufe mit einer Klemme einer die Wechselspannung abgebenden Quelle verbunden ist, und mit

c) mindestens einem Schaltungselement, das vom Schaltsignal der mindestens einen Schaltungsstufe anregbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß d) der andere Anschluß (11, 12) der Schaltungsstufe (6, 8) an einen Anschlußpunkt (13) einer Vorspannungsschaltung (15) angeschlossen ist, deren anderer Anschlußpunkt (16) mit der anderen Klemme (2) der die Wechselspannung abgebenden Quelle verbunden ist, und daß

e) die Vorspannungsschaltung (15) so ausgeführt ist, daß sie im Nulldurchgang der Wechselspannung die Schaltungsstufe (6, 3) mit einer Vorspannung einer Polarität beaufschlagt, die der Polarität der nach dem jeweiligen Nulldurchgang folgenden Halbwelle der Wechselspannung entspricht (Fig. 1).

ο Nullspannungsschaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

f) die Schaltungsstufe (6, 8) das Schaltungselement ~

(9,10) enthält

g) und daß das Schaltungselement (9, 10) aus einer Leuchtdiode und einem optisch mit ihr gekoppelten lichtempfindlichen Transistor (35, 36) besteht. 35

BAD ORIGINAL

■ι-

- -? - VPA 81 P 3706 DE

3. Nullspannungsschaltanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

h) zwei Schaltungsstufen (6, 8) vorhanden sind, die mit ihrem einen Anschluß (5, 7) über jeweils eine Diode (3, 4) mit der einen Klemme (1) der Wechselspannungsquelle verbunden sind, wobei h1) die Dioden (3, 4) entgegengesetzt gepolt sind (Fig. 1).

4. Nullspannungsschaltanordnung nach Anspruch 3, d a durch gekennzeichnet, daß

j) die Vorspannungsschaltung (15) aus zwei in Reihe geschalteten, entgegengesetzt gepolten Zenerdioden (28, 29) und einem zu beiden Zenerdioden (28, 29) parallelgeschalteten Kondensator (30) besteht (Fig.2).

BAD ORiGINAL