DE3236733C2

DE3236733C2 - Schaltungsanordnung zum verlustarmen Schalten großer Leistungen

Info

Publication number: DE3236733C2
Application number: DE19823236733
Authority: DE
Inventors: Karl-Diether Dipl.-Ing. 7101 Oedheim Nutz
Original assignee: Telefunken Electronic 7100 Heilbronn GmbH; Telefunken Electronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1982-10-04
Filing date: 1982-10-04
Publication date: 1984-11-15
Also published as: DE3236733A1

Abstract

Die Erfindung betrifft die Applikation eines Nullspannungsschalters, der in den Stromflußphasen auch ein statisches Signal abgibt. Nach der Erfindung wird über den dynamischen Ausgang des Nullspannungsschalters ein erster Triac angesteuert, der mit einem mechanischen Schalter kurzgeschlossen werden kann. Dieser mechanische Schalter wird zeitverzögert über das statische Ausgangssignal des Nullspannungsschalters mit Hilfe eines weiteren Triacs geschlossen, so daß der Laststrom nach einer Anfangsphase, in der er über den ersten Triac fließt, verlustlos vom Schalter übernommen wird. K3236734.1/84/14/05/00/OS/Ra Bei einer Schaltungsanordnung zur Steuerung einer Bremse, vorzugsweise der Bremse einer vom auf- bzw. abrollenden Seil einer Vorratstrommel antreibbaren Spillwinde, wird die Bremse bei einem Bremsvorgang mit konstantem Wert, jedoch von der Größe der Bremsverzögerung abhängigen Bremsdauer betrieben.

Description

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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum verlustarmen Schalten großer Leistungen unter Verwendung eines Halbleiterschalters nach den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruches 1. Eine derartige Schaltungsanordnung ergibt sich aus der DE-AS 11 14 225, mit der ein Transistor zunächst über einen mechanisehen Schalter eingeschaltet und danach mit einem weiteten mechanischen Schalter überbrückt wird.

Es ist ferner bekannt, daß Laststromzweige über

65 Halbleiterschalter, insbesondere über Thyristoren oder Triacs mit Hilfe von Nullspannungsschaltern angesteuert werden können.

Diese Nullspannungsschalter geben an den Triac in den Nulldurchgangsphasen des Wechselstroms ein Steuersignal ab, das diesen Triac durchschaltet bzw. im durchgeschalteten Zustand während der Stromflußphase durch die Last hält. Die Stromflußphase wird beispielsweise durch Vergleich eines Istwertes mit einem Sollwert mit Hilfe eines Komparators bestimmt Dieser Komparator ist meist im integrierten Nullspannungsschalter untergebracht 1st- und Sollwert können beispielsweise Temperaturen von Heizgeräten aller Art sein. Nullspannungsschalter dieser Art sind bekannt.

Das Schalten großer Ströme bzw. Leistungen über einen Triac hat den Nachteil, daß während der Stromnußphase am Triac eine relativ große Verlustleistung verbraucht wird. Diese Verlustleistung ergibt sich aus der Multiplikation der am Triac anstehenden Restspannung mit dem Nennlaststrom. Die Restspannung hat beispielsweise einen Wert in der Größenordnung vor. 1,5 V, so daß bei entsprechend großen Strömen leicht 30 bis 50 Watt Verlustleistung auftreten.

Zur Vermeidung dieser hohen Verlustleistung besteht die Möglichkeit, den Laststrom mit mechanischen Schaltern, mit Hilfe von Relais oder Schützen zu schalten. Dies hat jedoch den Nachteil, daß bei den mechanischen Schaltvorgängen Hochfrequenzstörungen auftreten und die Schalter im Laufe der Zeit durch mechanische Abnutzung zerstört werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum verlustarmen und rückwirkungsfreien Schalten großer Leistungen anzugeben, bei der die Vorteile des Schaltens über Triacs beibehalten werden, aber zugleich eine extrem geringe Verlustleistung auftritt Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Mit dem zweiten Halbleiterschalter wird dabei ein Strompfad leitend geschaltet, in dem ein Relais bzw. ein Schütz angeordnet ist. Bei beiden Halbleiterschaltern handelt es sich vorzugsweise um Triacs. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gewährleistet, daß nur in den Nulldurchgangsphasen des Wechselstroms Schaltvorgänge ausgelöst werden, so daß ein vollständig rückwirkungsfreies Schalten ermöglicht wird.

Die Erfindung und ihre vorteilhafte Ausgestaltung soll nachstehend noch anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert werden.

Die Schaltung gemäß der Figur enthält einen integrierten Nullspannungsschalter N. Dieser Nullspannungsschalter gibt während der Stromflußphasen, die aus einem Vergleich eines Istwertes mit einem Sollwert gewonnen werden, in den Nulldurchgangsphasen des Wechselstromes am Ausgang A Steuerimpulse ab, mit denen ein Triac Tn geschaltet und sodann während der Stromflußphase im geschalteten Zustand gehalten wird. Somit fließt der Laststrom /1 über den Lastwiderstand Ri. und den Triac Tn ab. Der Nullspannungsschalter hat einen zweiten Ausgang B, an dem während der Stromflußphase ein statisches Signal auftritt. So nimmt beispielsweise das Potentional am Punkt B mit Beginn der Stromflußphase den Low-Pegel an und erreicht mit dem Ende der Stromflußphase wieder den High-Pegel. An den Ausgang B für das statische Signal des Nullspannungsschalters ist die Reihenschaltung aus einem Widerstand Rr und einem Kondensator CV angeschlossen. Die Verbindung zwischen Widerstand Ri und Kunden-

sator Crist an die Basiselektrode eines Transistorschalters Ti angeschlossen. Bei dem Transistorschalter handelt es sich im Ausführungsbeispiel um einen pnp-Transistor mit einem Widerstand R₃ zwischen Emitteranschluß und Basisanschluß zur Gleichspannungspotentialeinstellung dieses Transistors.

Wenn mit dem Auftreten des statischen Ausgangssignals zu Beginn der Stromflußphase dieses Ausgangssignal den Low-Pegel annimmt entlädt sich der Kondensator Ct auf ein Potential, bei dem der Transistorschalter Ti geöffnet wird Der Transistor Ti wird somit zu einem Zeitpunkt geöffnet der gegenüber dem Auftreten des statischen Äusgangssignals entsprechend der Dimensionierung des ÄC-Gliedes verzögert ist

In die Emitterstrecke des Transistors Ti, die den An- 15 Steuerstrompfad für den Triac Tr₂ bildet ist eine Zenerdiode Z\ und ein Vorwiderstand R2 geschaltet Sobald der Transistor Ti durchgesteuert wird, erhält der Triac Th an seiner Steuerelektrode ein Ansieuersignal, das diesen Triac zündet, so daß der Strom I₂ durch den Triac 20 und die mit ihm in Reihe geschaltete Relaiswicklung bzw. Schützwicklung Sch fließt Infolge des Stromflusses durch das Relais bzw. den Schütz wird der Schalter Si geschlosen, so daß der Triac Tn überbrückt wird. Nunmehr kann der Laststrom /1 über den Widerstand 25 Rl und den geschlossenen Schalter S abfließen. Der Triac Tn wird dann stromlos, so daß an ihm keine Verlustleistung mehr entsteht Da mit dem Schalter Si nur eine Spannung von 1,5 Volt geschaltet werden muß, ist die fo Schaltbelastung sehr gering, so daß Hochfrequenzstö- 30 ii rungen nicht auftreten und ein Verschleiß des Schalters

j^;; weitgehend ausgeschlossen ist.

Der Emitter des Schalttransistors Ti ist zugleich über ' den Vorwiderstand Ri mit der Ansteuerelektrode des

; Triacs Th verbunden. Dies hat den Vorteil, daß der Last- 35

'{'■: strom Λ nach dem Ende der Stromflußphase nicht durch ¹ den Schalter S₁ unterbrochen wird, sondern durch Ab

schalten des Triacs Tn gesperrt wird. Sobald beim Ende der Stromflußphase das statische Ausgangssignal am Ausgangsanschluß B des Nullspannungsschalters N vom Low-Pegel wieder den High-Pegel annimmt, kann sich der Kondensator Cr wieder aufladen, so daß nach einer bestimmten Verzögerungszeit der Transistor Ti wieder gesperrt wird. Während dieser Verzögerunszeit erhält der Triac Th und der Triac Tr₂ über den Transistorschalter Ti genügend Strom, um beide Triacs im geöffneten Zustand zu halten. Zuerst wird der Triac Tr₇ stromlos geschaltet, da beim Unterschreiten der Zenerspannung Z\ diese Zenerdiode sperrt und somit einen weiteren Stromfluß zum Triac Tr₂ unmöglich macht. Die Zenerdiode Z\ hat beipsielsweise eine Zenerspannung von 4 Volt. Damit fällt das Relais ab und der Schalter S wird wieder geöffnet, so daß der Laststrom zur.ächst noch über den weiterhin offengehaltenen Triac Tn fließen kann. Mit der weiteren Sperrung des Transistors Ti reduziert sich auch der über den Vorwiderstand Ri zum Transistor Tn fließende Strom bis zu einem Wert der zur Aufrechterhaltung der Durchsteuerung des Triacs Tn nicht mehr ausreicht. In der nächstfolgenden Nulldurchgangsphase des Wechselstroms schaltet sich somit der Triac Tn ab, wodurch sichergestellt wird, daß bei diesem Abschaltvorgang Netzrückwirkungen vermieden werden.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung werden somit die Vorzüge des Schaltens großer Ströme über Halbleiterschalter und des Schaltens über mechanische Schalter in vorteilhafter Weise kombiniert. Netzrückwirkungen werden vermieden, da der Laststrom jeweils in Nulldurchgangsphasen des Wechselstroms ein- bzw. abgeschaltet wird Eine hohe Verlustleistung wird vermieden, da im zeitlich größten Teil der Stromflußphase der Laststrom über einen geschlossenen mechanischen Schalter abfließt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum verlustarmen Schalten großer Leistungen unter Verwendung eines Halbleiterschalters, der zunächst durch einen ersten Schaltvorgang den Laststrom übernimmt und der zeitverzögert gegenüber dem ersten Schaltvorgang durch einen zweiten Schaltvorgang mit einem mechanischen, den Laststrom übernehmenden Schalter überbrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung eines Triacs als Halbleiterschalter ein integrierter Nullspannungssschalter vorgesehen ist, der während der Stromflußphasen durch die Last (Rl) mit in den Nulldurchgangsphasen des Wechselstroms abgegebenen Steuerimpulsen angesteuert wird und der während dieser Sm>mflußphasen ein statisches Signal abgibt, daß mit diesem statischen Ausgangssignal des Nullspannungsschalters (N) ein zweiter Halbleiterschalter (Tk) über ein RC-Verzögerungsglied (A₇-, Ct) zeitverzögert angesteuert wird, durch den ein mechanischer Schalter (S\) zur Überbrückung des ersten Halbleiterschalters (Tr\) während der Restdauer der Stromflußphase geschlossen wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem zweiten Halbleiterschalter (Tri) ein Strompfad leitend geschaltet wird, in dem eine den mechanischen Schalter (Si) betätigende Relaiswicklung (Sch) angeordnet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Ansteuerstrompfad für den zweiten Halbleiterschalter (Tr£) ein von der Spannung am Kondensator (Ci) angesteuerter Transistorschalter (T\) angeordnet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistorschalter (T\) einerseits über eine Zenerüiode (Z\) und einen Vorwiderstand (Ri) mit der Steuerelektrode des zweiten Halbleiterschalters (Trfi und andererseits über einen weiteren Vorwiderstand ^Ri) mit der Steuerelektrode des ersten Halbleiterschalters (Tn) verbunden ist

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der erste als auch der zweite Halbleiterschalter ein Triac ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromflußphasen durch die Last (Rt) mit Hilfe eines Vergleichs eines Istwertes mit einem Sollwert über einen im Nullspannungsschalter enthaltenen Komparator bestimmt werden.