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EIN/AUS-Steuerung eines Triac im Zweidrahtbetrieb
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur EIN/AUS-Steuerung
eines elektronischen Zweidraht-Wechselstromschalters, wie diese im Oberbegriff des
Anspruchs 1 beschrieben worden ist.
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Derartige Schalter werden in zunehmendem Maße zur EIN- und AUS-Schaltung
von elektronischen Verbrauchern benutzt. Sie finden sowohl in der Hausinstallationstechnik
als auch in Geräten der Unterhaltungselektronik als Sensorschalter, Schalter mit
Infrarot-Fernbedienung, Zeitschalter u.ä. Verwendung.
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Die Schaltungsanordnungen dieser in Rede stehenden Elektronik-Schalter
lassen sich, abgesehen von der Stromversorgung prinzipiell in drei Schaltungsteile,
nämlich der der Steuerelektronik, der Interface-Schaltung und der Phasenanschnittsteuerung
auftelen.
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Während der Phasenanschnittsteuerung praktisch immer die Standard-Schaltung
zugrunde liegt (vgl. Fachbuch-Ausgabe der Topp-Reihe Elektronik, Band 73, Steuer-und
Regelschaltungen, erschienen 1972 im Frech-Verlag, Seite 25, Bild 10, Fall a), gibt
es für die Interface-Schaltung, dem Verbindungsglied zwischen Steuerelektronik und
Phasenanschnittsteuerung, zahlreiche Schaltungsvorschläge.
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Solche Schaltungen sind mit einer Reihe von Vor- und Nachteilen behaftet,
was im folgenden anhand einiger Ausführungen beispielhaft erläutert werden soll.
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Eine relativ einfache Ausführungsform ist insoweit dadurch gekennzeichnet,
daß über eine Gleichrichter-Brückenschaltung die Zündkondensatorspannung mittels
eines Transistors kurzgeschlossen wird. Bei dieser Schaltung liegen Ein- und Ausgang
auf unterschiedlichem Bezugspotential.
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In einer zweiten Ausführungsform einer Interface-Schaltung werden
in Bezug auf die positiven und negativen Halbwellen jeweils zwei separate Transistoren
kurzgeschlossen. Diese Schaltung ist wegen der erforderlichen Schutz-Dioden sowie
wegen eines zusätzlichen Transistors zur Potential-Umsetzung eingangsseitig zu aufwendig.
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Bei einer dritten Ausführungsform wird der Kondensator der Phasenanschnittsteuerung
mittels eines Kleinst-Triac's kurzgeschlossen. Dabei liegt zwar der Zündstrom dieses
Triac's um den Faktor 10 niedriger als bei einem 6 A-Triac, er ist jedoch immer
noch extrem hoch.
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Schließlich ist noch eine Ausführungsform bekannt, wobei die über
eine Spannungs-Verdoppler-Schaltung gleichgerichtete Zündkondensator-Spannung mittels
eines Transistors kurzgeschlossen wird. Diese Schaltung erfordert jedoch einen großen
Wechselspannungs-Kondensator.
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Zum Verständnis der Wirkungsweise dieser unterschiedlichen Interface-Schaltungen
soll zunächst noch einmal bezug auf die eingangs erwähnte Grundschaltung einer Phasenanschnittsteuerung
genommen werden. Mit dieser Schaltung ist der Verbraucher im Ruhezustand eingeschaltet.
Das Ausschalten erfolgt, wenn erreicht wird, daß sich der Kondensator während einer
Halbwelle der Netzwechselspannung nicht mehr bis zur Diac-Durchbruchspannung aufladet.
Dies
ist beispielsweise durch eine entsprechende Vergrösserung der Zeitkonstante RC oder
durch Parallelschalten eines hinreichend kleinen Widerstandes zum Kondensator möglich.
Soll dagegen das Ein- und Ausschalten des Triac von einer Steuerlogik aus erfolgen,
so gibt es Anpassungsprobleme, weil sowohl über dem Widerstand als auch über dem
Kondensator eine Wechselspannung liegt. Das erschwert die Beeinflussung des Kondensator-Ladestromes
bzw. der Zeitkonstante RC durch Halbleiter wie Transistoren oder Dioden. Alle bekannten
elektronischen Interface-Schaltungen der vorerwähnten Art sind in Bezug auf die
Anal .21 und Dimensionierung ihrer Bauteile sowie in ihren elektronischen Kriterien
nicht optimal.
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Folglich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die elektronische
Interface-Schaltung, von der die Erfindung ausgeht, so auszugestalten und auszubilden,
daß folgende Forderungen erfüllt werden: 1. Die erfindungsgemäße Interface-Schaltung
muß bei eingeschalteter Last leistungslos arbeiten, 2. sie darf nur aus wenigen
Bauteilen bestehen, 3. die Bauteile müssen extrem klein sein, 4. Ein- und Ausgang
der Interface-Schaltung müssen auf gleichem Bezugspotential liegen, 5. die Dimensionierung
der Interface-Schaltung muß im Hinblick auf die Serienproduktion problemlos sein.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des kennzeichnenden
Teils. von Anspruch 1.
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Im einzelnen gibt es verschiedene Möglichkeiten, die erfindungsgemäße
Interface-Schaltung auszugestelten und weiterzubilden, was im folgenden beispielhaft
anhand von in den Zeichnungsfiguren dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben
wird. Es zeigt: - Figur 1 - ein Schaltbild, das die grundsätzlichen Vorgänge im
Stromkreis der Interface-Schaltung bei gesperrtem Transistor T veranschaulichen
soll, - Figur 2 - den Verlauf der Spannungen gemäß dem Schaltbild nach Figur 1,
- Figur 3 - ein Schaltbild, das die grundsätzlichen Vorgänge im Stromkreis der Interface-Schaltung
bei durchgesteuertem Transistor T veranschaulichen soll, - Figur 4 - den Verlauf
der Spannungen gemäß dem Schaltbild nach Figur 3, - Figur 5 - das Schaltbild einer
ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Interface-Schaltung, - Figur 6 -
das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Interface-Schaltung
als Verbindungsglied zwischen einer Steuerelektronik mit negativer Steuerlogik OV
* ST LAST EIN und negativer Versorgungsspannung sowie einer Phasenanschnittssteuerung,
- Figur 7 - das Schaltbild gemäß Figur 6, jedoch mit positiver Steuerlogik.
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Anhand der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Schaltungen mit dazugehörigen
Spannungsverläufen sollen zunächst die grundlegenden Zusammenhänge in bezug auf
die erfindungsgemäße Interface-Schaltung erläutert werden. Zur Funktionsweise der
Darstellung in Figur 1 und 2 ist zu sagen, daß während der positiven Halbwelle der
Generatorspannung UG kein Strom fließt, weil die Diode
D sperrt.
Während der negativen Halbwelle ist die Diode zunächst leitend, bis der Kondensator
C sich auf den Scheitelwert der Generatorspannung UG aufgeladen hat. Danach fließt
unter Vernachlässigung des Kondensatorreststromes und der Diodenschwellspannung
auch während der negativen Halbwelle kein Strom mehr.
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Den Verlauf der Spannung von UG, U2 und U1 zeigt die Figur 2.
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Dar elf aufbauend ist in der Schaltung nach Figur 3 anstelle der Diode
D eine Zenerdiode ZD mit UZD = UG, wobei XC AR R sein soll, eingefügt.
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Da die Spitzen-Spitzen-Spannung des Generators UG größer ist als die
Zenerspannung der ZenerdiodeZD, fließt während der positiven und negativen Halbwelle
ein Strom. Im stationären Zustand ist der Kondensator C dann auf die halbe Zener-Spannung
aufgeladen. Für den Fall, daß XC gegenüber dem Widerstand R hinreichend klein ist,
kann der Wechselspannungsanteil der Kondensatorspannung vernachlässigt werden. Für
UG, U2 und U1 ergibt sich ein Spannungsverlauf entsprechend der Darstellung in Figur
4. Bemerkenswert ist, daß durch diese Schaltung beide Halbwellen von U2 auf den
halben Wert der Generatorspannung UG begrenzt werden und daß trotzdem am Kondensator
C eine Gleichspannung auf tritt.
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Bei der in Figur 5 erfindungsgemäß dargestellten Interface-Schaltung
ist die Lehre der Erfindung konkret dadurch realisiert, daß zur Funktion der EIN-
und AUS-Schaltung eine Kombination aus Kondensator C und Zenerdiode ZD sowie Diode
D in Verbindung mit einem Transistor T vorgesehen ist. Wichtig ist, daß bei Verwendung
des üblichen 32 V-Diacs im Zweidraht-Wechselstromschalter für den Transistor T ein
billiger 30-V-Typ ausreicht und für den Kondensator C ein billiger 50-V-Elko mit
ca luF Kapazität gewählt werden kann, wobei die Dimensionierung der Kapazität sowie
die der Zenerspannung völlig unkritisch ist. Ist der Strom in der Schaltung
nach
Figur 5 hinreichend klein, so kann ferner der bei ca - 5 V liegende Durchbruch der
Kollektor-Emitter-Strecke die Diode D ersetzen. In diesem Falle ist bei der Dimensionierung
der Zenerdiode ZD die Zenerspannung ca 5 V niedriger zu wählen.
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Selbstverständlich kann bei negativer Versorgungsspannung die Logik
des Zweidraht-Wechselstromschalters für den Transistor ein pnp-Typ eingesetzt werden.
Ebenso ist es möglich, den Emitter des Transistors T auf die Versorgungsgleichspannung
des Schalters zu legen anstatt auf Masse. Durch solche Maßnahmen kann die Interface-Schaltung
allen in der Praxis denkbaren Konfigurationen des Steuer-Logik-Ausgangs angepaßt
werden. Die in den Figuren 6 und 7 dargestellten Interface-Schaltungen sind für
solche negativen Versorgungsspannungen ausgeführt.
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Mit der erfindungsgemäßen Interface-Schaltung steht eine Schaltung
zur Verfügung, die leistungslos arbeitet, sehr kompakt aufbaubar ist, für Ein- und
Ausgang das gleiche Bezugspotential verwendet, die unkritisch in der Dimensionierung
ist, an jede Steuerlogik-Polarität anpaßbar ist und die außerdem sehr wenig kostet.