DE3344105C2

DE3344105C2 -

Info

Publication number: DE3344105C2
Application number: DE19833344105
Authority: DE
Inventors: Gerard Rilly; Gerard 7730 Villingen-Schwenningen De Morizot
Original assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Priority date: 1983-12-07
Filing date: 1983-12-07
Publication date: 1987-10-01
Also published as: DE3344105A1; FR2556522B1; FR2556522A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Netzgleichrichter für zwei ver schieden hohe Netzspannungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Netzgleichrichter für zwei verschieden hohe Netz spannungen ist aus der DE-PS 24 45 031 bekannt. Bei einer solchen Schaltung ist es erforderlich, einen Punkt der Gleichrichterbrücke über einen für beide Stromrichtungen durchlässigen Schalter mit dem Verbindungspunkt der Ladekon densatoren zu verbinden. Dieser Schalter ist dort als mecha nischer Schalter ausgebildet. Ein mechanischer Schalter hat den Nachteil eines unvermeidbaren Verschleißes. Außerdem er möglicht ein mechanischer Schalter nicht ohne weiteres eine selbsttätige Umschaltung zwischen den verschieden hohen Netz spannungen. Hierzu müßte der Schalter als Kontakt eines Re lais ausgebildet sein, das in Abhängigkeit von der Höhe der Netzspannung gesteuert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen zwischen den Betriebsarten mit niedriger und hoher Netzspannung selbsttä tig umschaltenden elektronischen Schalter und eine zugehöri ge Steuerschaltung zu schaffen, die selbsttätig nur bei der niedrigen Netzspannung eine Steuerimpulsfolge für den elek tronischen Schalter erzeugt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die EP-OS 00 21 714 ist ein Netzteil bekannt, bei dem zwischen einer Gleichrichterbrücke und dem Verbindungspunkt von zwei Ladekondensatoren ein von der Netzspannung gesteuer ter Triac liegt. Dieser Triac dient jedoch nicht zur Umschal tung zwischen zwei verschieden hohen Netzspannungen, sondern zur Stabilisierung der mit dem Netzteil erzeugten Gleichspan nung.

Es ist auch bekannt (DE-OS 30 37 684), eine selbsttätige Um schaltung für zwei verschieden große Netzspannungen mit einem Relais oder einem Thyristor durchzuführen. Dann ist eine Bedienung von außen nicht mehr erforderlich, und es können auch keine Bedienungsfehler auftreten. Diese Lösung ist rela tiv teuer und arbeitet insbesondere wegen hoher Stromspitzen bei der Umschaltung des Relais nicht ausreichend zuverläs sig.

Es ist ferner eine Impulspaket-Steuerschaltung bekannt (DE-OS 32 09 833), bei der die Netzspannung mit einem Triac für eine durch ein Schaltsignal bestimmte Zeit an einen Ver braucher angeschaltet wird. Durch eine logische Schaltung wird erreicht, daß die Zündung des Triac stets im Nulldurch gang der Netzspannung erfolgt. Die Aufgabe, aus zwei ver schieden hohen Netzspannungen eine Gleichspannung gleicher Größe zu erzeugen, wird dort nicht behandelt und auch nicht gelöst.

Durch die Erfindung werden im wesentlichen folgende Vorteile erzielt: Der Triac als Ersatz für einen mechanischen Schal ter unterliegt keinem Verschleiß. Die Betätigung des durch den Triac gebildeten Umschalters kann selbsttätig durch das Netz in der Weise erfolgen, daß der Triac bei der niedrigen Netzspannung gezündet wird und bei der hohen Netzspannung gesperrt bleibt. Die Zündung des Triac kann so erfolgen, daß der Gleichstrommittelwert des vom Netz entnommenen Stromes in vorteilhafter Weise null ist, so daß der Anteil an Ober wellen gering gehalten wird. Durch die Erzeugung des Steuer impulses für den Triac in Abhängigkeit von der Netzspannung wird erreicht, daß der Netzgleichrichter immer entsprechend der jeweiligen Netzspannung arbeitet, und vermieden, daß der Netzgleichrichter versehentlich in seiner Betriebsart für niedrige Netzspannung an der hohen Netzspannung arbeitet und somit eine zu hohe Gleichspannung abgibt oder zerstört wird.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 ein vereinfachtes Prinzipschaltbild der erfindungs gemäßen Lösung,

Fig. 2 das Ersatzschaltbild der Schaltung nach Fig. 1 bei hoher Netzspannung,

Fig. 3 das Ersatzschaltbild für die Schaltung nach Fig. 1 bei niedriger Netzspannung,

Fig. 4 den Aufbau der Steuerschaltung zur Erzeugung des Steuerimpulses für den Triac,

Fig. 5 Kurven zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 4 und

Fig. 6 ein Schaltbild des gesamten Netzteils ein schließlich der Steuerschaltung.

Dabei zeigen die kleinen Buchstaben, an welchen Punkten in den Fig. 4, 6 die Spannungen gemäß Fig. 5 anstehen.

In Fig. 1 steht an den Netzklemmen A 1 und E 1 eine Netz spannung Un, die über Widerstände R 1, R 2 an die Punkte A, D der Gleichrichterbrücke mit den Dioden D 1, D 2, D 3, D 4 angelegt ist. Der Brückenpunkt B liefert an der Klemme H eine Gleichspannung U 1 und ist über zwei in Reihe geschaltete Ladekondensatoren C 1, C 2 mit Erde ver bunden. Zwischen der Netzklemme E 1 und dem Verbindungs punkt E liegt der Triac TC 1, der an seiner Steuerelek trode G von der Steuerschaltung ST 1 gesteuert wird. An die Steuerschaltung ST 1 ist die Netzspannung Un ange schlossen.

Bei der hohen Netzspannung von 220 V erzeugt die Steuer schaltung ST 1 keine Zündimpulse für die Steuerelektrode G des Triac TC 1, so daß die Klemmen E 1 und E nicht mit einander verbunden sind. Dadurch wirkt die Schaltung als Doppelweg-Gleichrichter gemäß Fig. 2 und erzeugt an der Klemme H eine Gleichspannung U 1 = 300 V mit dem Spitzen wert Un 1 der angelegten Wechselspannung Un. Als Ladekon densator ist der durch die Reihenschaltung der Kondensa toren C 1 und C 2 gebildete Kapazitätswert C′ wirksam.

Bei der niedrigen Netzspannung von 110 V ist der Triac TC 1 an seiner Steuerelektrode G von der Steuerschaltung ST 1 für beide Stromrichtungen leitend gesteuert, so daß gemäß Fig. 3 die Schaltung als Spannungsverdoppler wirkt. Die positiven Halbwellen der Netzspannung Un 2 erzeugen an dem Kondensator C 1 eine positive Spannung mit dem Wert Un 2 und die negativen Halb wellen an dem Kondensator C 2 ebenfalls eine Gleich spannung mit dem Wert Un 2. Durch die Reihenschaltung der Ladekondensatoren C 1, C 2 ergibt sich an der Klemme H eine Gleichspannung mit dem Wert U 1 = 2 × Un 2, also wiederum 300 V. Die Dioden D 4 und D 2 bleiben ge sperrt.

Fig. 4 zeigt die Steuerschaltung ST 1, die an die Netz klemmen A 1, E 1 angeschlossen ist und über eine monostabile Kippstufe K 1 die Steuerspannung f für den Triac TC 1 liefert. Die Wirkungsweise dieser Schaltung wird im folgenden nacheinander für Betrieb bei 220 V und 110 V beschrieben.

Betrieb bei 220 V

Der Netzgleichrichter wird im Zeitpunkt t 0 gemäß Fig. 5 eingeschaltet, so daß die Netzspannung Un gemäß Fig. 5a auftritt. Mit dem Begrenzer aus dem Widerstand R 4 und der Zenerdiode Z 1 mit einer Zenerspannung von 7,5 V wird aus der Netzspannung Un die Impulsfolge gemäß Fig. 5b er zeugt, deren Amplitude von der Netzspannung unabhängig ist. Jeweils beim Nulldurchgang der Netzspannung Un in positiver Richtung entsteht in der Impulsfolge gemäß Fig. 5b eine positive Flanke. Mit dem Differenzierglied aus dem Kondensator C 4 und den Dioden D 6, D 7 wird jeweils durch die positive Flanke der Impulsfolge b der Kondensa tor C 5 über einen niederohmigen Ladeweg sehr schnell auf geladen. Anschließend entlädt sich der Kondensator C 5 langsam über den Widerstand C 5. Dadurch baut sich die Spannung am Kondensator C 5 treppenförmig auf und erreicht im Zeitpunkt t 1 den endgültigen Wert. Mit der Diode D 5, dem Ladekondensator C 3 und den Widerständen R 7, R 8, R 3 wird an der Basis des Transistors T 1 eine Gleichspannung c erzeugt. Bei 220 V hat diese Spannung den Verlauf gemäß c′. Diese Spannung c′ ist so positiv, daß die Spannung d am Emitter des Transistors T 1 gegenüber der Spannung c negativ ist und somit der Transistor T 1 ständig gesperrt bleibt. Die angeschlossene monostabile Kippstufe K 1 er zeugt also an ihrem Ausgang keine Steuerimpulse f für den Triac TC 1. Dieser bleibt daher ständig gesperrt, so daß das Ersatzschaltbild gemäß Fig. 2 gilt.

Betrieb bei 110 V

Da die Impulsfolge b von der Netzspannung unabhängig ist, ist auch der Verlauf der Spannung d gegenüber dem Betrieb bei 220 V unverändert. Die Spannung c, die sich etwa während einer Netzperiode aufbaut, erreicht jetzt wegen der nied rigeren Netzspannung einen geringeren Endwert. Von dem Zeitpunkt t 0 bis zum Zeitpunkt t 1 überschreitet die Spannung d die Spannung c nicht. Die Schaltung befindet sich also zunächst während drei Netzperioden in einer Ruhestellung, so daß in erwünschter Weise zunächst der Betrieb für 220 V aufrechterhalten bleibt. Andererseits wird jede Netz periode einzeln gemessen. Im Zeitpunkt t 1 überschreitet die Spannung d erstmalig die Spannung c. Dadurch wird der Transistor T 1 leitend und erzeugt am Kollektor kurze Spannungsimpulse e. Die Spannungsimpulse e erzeugen in der monostabilen Kippstufe K 1 Spannungsimpulse f negativer Polarität. Diese beginnen im Nulldurchgang der Netzspan nung Un gemäß Fig. 5a und dauern etwa 16 ms. Diese Dauer ist durch die Auslegung der Kippstufe K 1 bestimmt. Der Triac TC 1 wird also jeweils etwa von Beginn des Null durchgangs der Netzspannung Un mit einer Tolenranz von ±1 ms angesteuert. Die Impulse f sind negativ gerichtet, weil der Triac gegenüber negativ gerichteten Steuerimpulsen empfindlicher ist. Diese Ansteuerung während fast der gesamten Netzperiode ermöglicht während der positiven Halbwelle der Netzspannung zwischen t 1 und t 2 einen Strom gemäß Fig. 5g in der einen Richtung und während der negativen Halbwelle der Netzspannung zwischen t 2 und t 3 einen Strom gemäß Fig. 5g in der anderen Richtung. Dadurch ist der Triac in beiden Richtungen leitend gesteuert, so daß in erwünschter Weise ein Strom gemäß Fig. 5g mit dem Strommittelwert null fließt. Dadurch ist das Ersatzschalt bild gemäß Fig. 3 realisiert. Die Dauer der Ströme g beträgt etwa 4 ms.

Im Zeitpunkt t 5 wird der Netzgleichrichter abgeschaltet, so daß die Netzspannung Un gemäß Fig. 5a abbricht. Die Ent ladezeit des Kondensators C 3 über die Reihenschaltung der Widerstände R 8, R 3 ist kleiner als die Entladezeit des Kon densators C 5 über den Widerstand R 5. Dadurch bleibt gemäß Fig. 5 der Transistor T 1 in erwünschter Weise gesperrt, so daß keine unerwünschte Zündung des Transistors T 1 und des Triac TC 1 mehr stattfinden kann.

Da in der beschriebenen Weise jede Netzperiode für sich gemessen wird, spricht die Schaltung ohne Verzögerung auf Änderungen der Netzspannung an. Wenn sich die Netzspannung z. B. sehr schnell von 110 V auf 220 V ändert, ändert sich während einer Netzperiode die Spannung c auf den Wert c′ gemäß Fig. 5, so daß schon beim nächsten Nulldurchgang die Spannung d die Spannung c′ nicht mehr überschreitet, der Transistor T 1 nicht mehr leitend gesteuert wird und die Schaltung in den 220 V Betriebszustand umgesteuert ist. Wenn in der Netzspannung Un gemäß Fig. 5a nur eine einzige Periode ausfällt, wird der Kondensator C 5 nicht mehr auf geladen, so daß die Spannung d die Spannung c nicht mehr überschreitet und somit die Impulse e auch nicht mehr auf lädt. Auch dann wird in erwünschter Weise der Triac TC 1 nicht mehr gezündet.

Dadurch, daß die Impulse f den Triac TC 1 jeweils vom Null durchgang der Netzspannung aus ansteuern und mit einer Ver zögerung danach der Strom g durch den Triac etwa während der Mitte der jeweiligen Halbwelle fließt, entsteht kein störender Stromsprung im Triac TC 1. Die Schaltung gemäß Fig. 4 schaltet also grundsätzlich in den Ruhestand, d. h. den Zustand für 220 V Betrieb um. Sie wird nur durch eine wirklich vorhandene Netzspannung von 110 V so umgesteuert, daß die Impulse f zur Zündung des Triac TC 1 entstehen können. Dadurch wird eine große Betriebssicherheit der Schaltung gegen zu hohe Ausgangs gleichspannung U 1 erreicht. Durch die gleich groß hohen Ströme g in positiver und negativer Richtung jeweils während einer Periode der Netzspannung wird eine gleich mäßige Ladung der beiden Kondensatoren C 1, C 2 im Ersatz schaltbild gemäß Fig. 3 erreicht. Außerdem ist in er wünschter Weise der Mittelwert des von den Netzklemmen A 1, E 1 entnommenen Stromes gleich null.

Fig. 6 zeigt die Kombination der Schaltungen gemäß Fig. 1 und Fig. 4. Die Schaltung enthält außer dem Netzgleichrichter im wesentlichen drei Stufen, nämlich die zum Vergleich der Netzspannung Un und zur Erzeugung der Impulse e dienenden Steuerstufe ST 1, die die Impulse f erzeugende Kippstufe K 1 und die Treiberstufe Tr 1 für den Triac TC 1. Die Betriebsspannung für die Kippstufe K 1 wird von einer Wicklung S 1 eines Schaltnetzteiles über die Diode D 38 und den Kondensator C 38 gewonnen. Die Kippstufe K 1 enthält die Widerstände R 41, R 42, R 43, R 44 sowie die beiden Transistoren T 37, T 38. Im Ruhezustand ist der Transistor T 38 durch die positive Spannung an seiner Basis leitend, so daß die Transistoren T 37 und T 34 gesperrt sind und der Triac TC 1 nicht angesteuert wird. Dieses ist der Ruhestand bei fehlender Netzspannung oder bei einer Netzspannung von 220 V. Bei Erscheinen eines Impulses e bei 110 V wird der Transistor T 37 schnell leitend gesteuert, so daß der Transistor T 38 gesperrt wird. Die Dauer dieses Zustandes ist bestimmt durch die Zeitkonstante aus dem Widerstand R 41 und dem Kondensator C 42. Diese Zeitkonstante ist so bemessen, daß die Dauer des Impulses f etwa 16-18 ms beträgt.

Die Treiberstufe TR 1 enthält den Transistor T 34 und den Widerstand R 34.

Claims

1. Netzgleichrichter für zwei verschieden große Netz spannungen (Un 1, Un 2) mit einer Gleichrichterbrücke (D 1- D 4), deren zwei Eingangsklemmen (A, D) mit der Netzspan nung (Un) gespeist sind und deren zwei Ausgangsklem men (B, C) an einer Reihenschaltung von zwei Ladekon densatoren (C 1, C 2) eine Gleichspannung (U 1) lie fern, wobei bei der niedrigeren Netzspannung (Un 2) eine Eingangsklemme (D) über einen Schalter mit dem Verbindungspunkt (E) der Kondensatoren (C 1, C 2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß als Schal ter ein Triac (TC 1 vorgesehen ist,
daß eine Steuerschaltung (ST 1) für den Triac (TC 1) mit folgenden Elementen vorgesehen ist:
einem Begrenzer (R 4, Z 1) zur Bildung von Rechteck impulsen (b) mit Netzfrequenz und von der Netz spannung unabhängiger Amplitude und Polarität aus der Netzspannung (Un), wobei Impulsflanken mit den Nulldurchgängen der Netzspannung zusammenfallen,
einem Differenzierglied mit einem ersten Kondensa tor (C 4) und einer Diode (D 6) zur Bildung von Differenzationssignalen aus den Anstiegsflanken der Rechteckimpulse,
einem zweiten Kondensator (C 5) zur Speicherung der Differentationssignale,
einem Endladewiderstand (R 5) für den zweiten Kondensator (C 5),
einer Anordnung (D 5, R 7, R 8, R 3, C 3) zur Erzeugung einer Vergleichs gleichspannung (c), die der Amplitude der Netz spannung (Un) proportional ist,
einem Vergleichselement (T 1) zum Vergleich der sägezahnförmigen Spannung (d) am zweiten Konden sator (C 5) mit der Vergleichsgleichspannung (c), wobei das Vergleichselement (T 1) einen Auslöse impuls (e) mit Netzfrequenz abgibt, wenn jeweils die sägezahnförmige Spannung (d), größer wird als die Vergleichsgleichspannung (c) ist und
einer monostabilen Kippstufe (K 1) die Steuer impulse (f) für den Triac (TC 1) abgibt, deren Be ginn mit dem Beginn der Auslöseimpulse (e) und der Nulldurchgänge der Netzspannung zusammenfällt und deren Dauer etwas unterhalb der Netzperiodendauer liegt.

2. Gleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der erste Kondensator (C 4), der zweite Kondensator (C 5) und der für den zweiten Kondensator (C 5) wirksame Entladewiderstand (R 5) so be messen sind, daß nach dem Einschalten bei der niedrigeren Netzspannung das Vergleichselement (T 1) erst nach Ab lauf von mehreren Netzperioden erstmals ausgelöst wird (Fig. 4, 5).

3. Gleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (D 5, R 7, C 3, R 8, R 3) zur Erzeugung der Vergleichsgleichspannung (c) so bemessen ist, daß nach dem Einschalten die Vergleichgleichspannung (c) etwas nach Ablauf einer Netzperiode ihren Sollwert erreicht (Fig. 4, 5).

4. Gleichrichter nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Entladezeitkonstanten der Entlade schaltung (C 5, R 5) und die Anordnung zur Erzeugung der Ver gleichsgleichspannung (c) so bemessen sind, daß nach dem Ab schalten der Netzspannung die Spannung (d) an dem zweiten Kondensator (C 5) schneller abfällt als die Vergleichsgleichspannung (c) (Fig. 4, 5).

5. Gleichrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Triac (TC 1) durch zwei antiparallel geschaltete Thy ristoren ersetzt ist.