DE3432225A1

DE3432225A1 - Rueckwaertsphasensteuerungsleistungsschaltkreis und leitungswinkelsteuerverfahren

Info

Publication number: DE3432225A1
Application number: DE19843432225
Authority: DE
Inventors: Milton Dayton Schenectady N.Y. Bloomer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1983-09-06
Filing date: 1984-09-01
Publication date: 1985-03-21
Also published as: FR2551597A1; US4528494A; GB8421347D0; BE900501A; NL8402715A; BR8404527A; JPS60101620A; GB2146499A

Description

Rückwärtsphasensteuerungsleistungsschaltkreis und Leitungswinkelsteuerverfahren

Die Erfindung bezieht sich auf Belastungsleistungsschaltkreise und betrifft insbesondere ein neues Rückwärtsphasensteuerungsverfahren und einen neuen Rückwärtsphasensteuerungsleistungsschaltkreis zum Steuern des Leitungswinkels von Vorrichtungen, die einer Last einen Wechselstrom zuführen.

Es ist bekannt, die Spannung und oder den Strom, die beziehungsweise den eine Last aus einer Wechselstromquelle empfängt, mittels einer Phasensteuerschaltung zu steuern, in welcher eine Schaltvorrichtung zu einer Zeit nach dem Nulldurchgang der periodischen Wechselstromschwingung durch Einschalten in einen leitenden Zustand gebracht und der Vorrichtung, die üblicherweise eine regenerative Schaltvorrichtung ist, gestattet wird, bei dem nächsten Null-

durchgang der Schwingung in den Aus-Zustand zu koinmutieren. Einer der größeren Nachteile dieses Typs von Phasensteuerschaltung ist, daß die Lastspannung und der Laststrom eine plötzliche Änderung erfahren, wenn die Schaltvorrichtung eingeschaltet wird, weil diese scharfe Änderung des Stromflusses in großem Maße elektromagnetischen Brumm erzeugt. Ein weiterer Nachteil dieses Typs von Phasensteuerschaltung sind die relativ hohen Kosten einer solchen Schaltung, wenn Belastungen gesteuert werden, die große Einschaltstromspitzen haben. Eine Wolframglühfadenlampe und ähnliche Belastungen haben relativ kleine "kalte" Widerstände, wenn sie zum erstenmal eingeschaltet werden. Der sehr große Augenblicksstrom, der von einer solchen "kalten" Last aufgenommen wird, erfordert, daß entweder die Schaltvorrichtung überdimensioniert ist, damit sie diese große Einschaltstromspitze aushalten kann, oder daß zustätzliche Steuerunterschaltungen in der Phasensteuerschaltung vorgesehen sein müssen, um den Punkt des Leitens in einem akzeptablen Ausmaß langsam vorwärts zu verlegen, bis der Lastwiderstand bis zu dem Punkt zugenommen hat, bei dem die Last einen "normalen" Betriebsstrom aufnimmt.

Es ist deshalb äußerst erwünscht, eine Phasensteuerschaltung zur Verfügung zu haben, die nicht nur in der Lage ist, den Vorrichtungsstrom langsam zu vergrößern, damit es zu einem sanften Selbstanlauf von Lasten mit hohen Einschaltstromspitzen kommt, sondern die auch weniger magnetischen Brumm erzeugt und relativ wenig kostet.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, einen neuen Rückwärtsphasensteuerungsleistungsschaltkreis zum Steuern des Stromflusses von einer Wechselstromquelle zu einer Last zu schaffen.

Weiter soll durch die Erfindung ein neues Verfahren zur Rückwärtsphasensteuerung des Leitungswinkels des Strom-

flusses von einer Wechselstromquelle zu einer Last angegeben werden.

Gemäß der Erfindung enthält ein Rückwärtsphasensteuerungsleistungsschaltkreis zum Steuern des Stromflusses von einer Wechselstromquelle zu einer Last: wenigstens eine Leistungsschaltvorrichtung in Reihe mit der Last an der Quelle; eine Einrichtung zum Steuern der Leistungsschalteinrichtung in einen leitenden Zustand bei jedem Nulldurchgang der Quellenspannung sschwingung; und eine Einrichtung, die, wenn der Augenblickslaststrom zum erstenmal einen maximalen Strom übersteigt, der größer ist als der gewünschte normale Spitzenlaststrom, oder wenn der gewünschte Leitungswinkel erreicht wird, das Leiten von Strom in der Leistungsschalteinrichtung beendet. Vorzugsweise sorgt die Leistungsbeendigungs- oder Ansteuerungsabschalteinrichtung für eine relativ allmähliche Beendigung des Laststromflusses, um den elektromagnetischen Brumm zu reduzieren.

Bei den gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen kann der Wert, bei dem das Leiten des Laststroms abgeschaltet wird, durch eine manuelle Steuerung eingestellt und auch abgeschaltet werden, wenn die Leistungsschaltvorrichtung die Sättigung wegen eines übermäßigen Laststrombedarfes verläßt, der die maximale Sättigungsstrombelastbarkeit der Leistungsschaltvorrichtung übersteigt, welche durch die Leistungsschaltvorrichtungsansteuersignalgröße eingestellt ist.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

die Fig. la und 1b Erläuterungsdiagramme, welche die Lastspannung und den Laststrom zeigen, die mit dem Rückwärtsphasensteuerungslei-

stungsschaltkreis nach der Erfindung erzielt werden, wenn dieser in Reihe mit einer Last an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Rückwärtsphasen-

steuerungskreises nach der Erfindung und

die Fig. 2a und 2b Schaltbilder von zwei gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen des RückwärtsphasensteuerSchaltkreises nach Fig. 2.

Gemäß den Fig. 1a, 1b und 2 ist ein Rückwärtsphasensteuerungsleistungsschaltkreis 10 in Reihe mit einer ohmschen Last 11 der Größe R_L an Netzklemmen L. und L₂ und somit an eine Wechselstromquelle 12 angeschlossen. Die Netzklemme L₁ ist außerdem mit einer ersten Klemme 10a des Steuerkreises verbunden, und die weitere Netzklemme L₂ ist mit einer weiteren Klemme 10b des Steuerkreises verbunden. Die Last 11 ist zwischen die Netzklemme L- und die Steuerkreisklemme 10a und eine dritte Steuerkreisklemme 10c geschaltet. Eine Leistungsschalteinrichtung 14 innerhalb des Steuerkreises 10 ist zwischen die Klemmen 10b und 10c geschaltet und daher elektrisch in Reihe mit der Last 11 an die Wechselstromquelle 12 angeschlossen.

Die Lastspannung V würde eine sinusförmige Spannung 16 sein (Fig. 1a), wenn die Leistungsschalteinrichtung 14 während der gesamten Periode der Sinusschwingung der Wechselstromquelle leitend wäre. In einer herkömmlichen Phasensteuer schaltung würde eine Schaltvorrichtung in Reihe mit einer Last an einer Wechselstromquelle zu einer Zeit t~ nach jedem Nulldurchgang (d.h. entweder zu einer Zeit t„+ bei einem positivgehenden Nulldurchgang 18a oder zu einer Zeit t_Q- bei einem negativgehenden Nulldurchgang 18b) eingeschaltet, um eine plötzliche Änderung 17 in der geeigne-

ten oder negativen Richtung in Abhängigkeit von der Polarität der dann von statten gehenden Halbschwingung zu erzeugen. Die begleitende plötzliche Änderung des Laststroms I

(nicht dargestellt) erzeugt in relativ großem Ausmaß elektromagnetischen Brumm. Die Schaltvorrichtung würde bis zu dem nächsten Nulldurchgang leiten, wobei sich dann die Vorrichtung (typisch eine regenerative Schaltvorrichtung) zu dieser Zeit selbst abschaltet und abgeschaltet bleibt, bis sie zu einer späteren Zeit in der nächsten Halbperiode abrupt eingeschaltet wird. Es könnte wie erwähnt eine relativ komplexe Schaltungsanordnung benutzt werden, um die Schaltflanke 17, z.B. die Flanke 17a, vorwärts in Richtung des Pfeils A von dem Abschaltnulldurchgang, z.B. dem ersten negativgehenden Nulldurchgang 18b zur Zeit t_Q/ wegzuverlegen, so daß sie als eine Schaltflanke 17b zu einer früheren Zeit auftritt, die sich näher bei einem folgenden Abschaltnulldurchgang, z.B. dem ersten positivgehenden Nulldurchgang 18a¹ zu einer Zeit t₀, befindet, um den Vorrichtungsstrom langsam zu vergrößern und so einem "kalten" Widerstand anzupassen, damit eine Schaltvorrichtung mit akzeptabler Strombelastbarkeit benutzt werden kann.

Bei dem Rückwärtsphasensteuerungsleistungsschaltkreis 10 nach der Erfindung wird die Leistungsschalteinrichtung 14 bei jedem Nulldurchgangspunkt 18 (d.h. jedem der positivgehenden Nulldurchgänge 18a, 18a¹, 18a¹', usw. zur Zeit t_Q+ und jedem der negativgehenden Nulldurchgänge 18b, 18b¹, 18b¹¹, usw. zur Zeit t_Q-) eingeschaltet, d.h. in den stromleitenden Zustand geschaltet und eine gewisse Zeit danach (z.B. zu einer der Zeiten t.., t₂, t₃, t., t,-, tg, ...) abgeschaltet, aber vor dem nächsten Nulldurchgangspunkt 18. Das Intervall, das in Fig. 1a mit schraffierten Segmenten gezeigt ist und während dem die Leistungsschalteinrichtung 14 leitend ist, beginnt deshalb bei dem Nulldurchgang 18a bei zunehmender (positivgehender) Spannung zur Zeit t_Q und erstreckt sich bis zu einer Abschaltzeit t-, die vor dem

nächsten folgenden Nulldurchgang 18b mit abnehmender (negativgehender) Spannung liegt. Bei dem nächsten Nulldurchgang 18b wird die Leistungsschalteinrichtung 14 wieder eingeschaltet und bleibt bis zu einer neuen Abschaltzeit t~ vor dem als nächstem auftretenden Nulldurchgang 18a¹ mit zunehmender Spannung eingeschaltet. Gleichzeitig wird dem Laststrom I- (Fig. 1b) ermöglicht, mit einer Größe von im wesentlichen null bei jedem Nulldurchgang (z.B. den Nulldurchgängen 18a, 18b, usw.) zu fließen, woraufhin der Strom auf einen maximalen Wert I„ zur Zeit t.. ansteigt, bevor der Stromfluß beendet wird. Die Strombeendigungsflanke, z.B. die Flanke 20a¹, kann mit einer relativ allmählichen Neigung versehen sein, um deren elektromagnetische Brummeffekte wesentlich zu reduzieren, im Vergleich zu der abrupten Stromänderung, die bei einer Vorwärtsphasensteuerschaltung auftritt. Wenn eine Last 11 in Form eines kalten Widerstands zu steuern ist, die eine hohe Einschaltstromspitze aufweist, kann der maximale Strom I_M auf einen Wert eingestellt werden, der etwas höher ist als der normale Betriebsspitzenstrom der Last (nach dem Aufwärmen), und die Abschaltzeit t (wobei gilt n=1, 2, 3, 4, 5, 6, usw.) nach jedem Einschaltnulldurchgang nimmt allmählich in der Richtung des Pfeils B zu, um die Last sanft anlaufen zu lassen und eine allmähliche Aufwärmung zu gestatten. Das steht in völligem Gegensatz zu der Richtung der Änderung der Abschaltflanke bei einer Vorwärtsphasensteuerschaltung, insbesondere wenn der Stromfluß zu einer "kalten" Last einzuschalten ist. Daher kann gemäß der Darstellung in den Fig. 1a und 1b der Schaltkreis 10 während eines Zustands, in welchem ein kalter Widerstand mit hoher Einschaltstromspitze vorliegt, das Abschalten der Leistungsschalteinrichtung 14 zu einer Zeit t- nach dem ersten Einschaltnulldurchgang 18a und zu einer Zeit t~ nach dem zweiten Einschaltnulldurchgang 18b bewirken, wobei das Intervall zwischen dem Nulldurchgang 18a zur Zeit t_Q und der Zeit t^ kleiner ist als das Zeitintervall zwischen der Zeit t_ des nächsten

Nulldurchgangs 18b und der anschließenden Abschaltzeit t₀. Ebenso kann die Zeit zwischen einem dritten Einschaltnulldurchgang 18a¹ und einer dritten Abschaltzeit t₃, während der Strom durch die Last fließt, größer gemacht werden als das zweite Leitungsiritervall zwischen dem Einschaltnulldurchgang 18b und deu Abschaltzeit t₂· Somit können die Dauer des Stromflusseis in der Last und die Größe der darin verbrauchten Leistung! allmählich vergrößert werden, wenn die Laststromteile 20 vergrößert werden. Das heißt, während jedes Stromteils 20 ist der Spitzenstrom I„ im wesentlichen derselbe, die Leitungsintervalle ändern sich, und der mittlere Laststrom des Teils 20a ist etwas kleiner als der mittlere Laststrom des Teils 20b, welcher seinerseits etwas kleiner ist als der mittlere Laststrom des Teils 20c. Wenn der mittlere Laststrom aufgrund einer Zunahme des Lastwider stands abnimmt, wird der normale Betriebslaststrom bald erreicht, und die Laststromleitungsteile 2Od, 20e, 2Of ... haben alle ungefähr dieselbe Form und dieselbe Größe (wobei diese Größe im allgemeinen kleiner ist als die eingestellte Maximalstromgröße !„), was der Steuerkreis 10 dadurch bewirkt, daß die zugeordneten Lastabschaltzeiten t,, tj-f t_fi, ... (nach den zugeordneten Nulldurchgängen 18b¹, 18a¹¹, 18b¹¹, ...) so eingestellt werden, daß sie im wesentlichen gleich sind, und zwar entsprechend dem Laststrom I_T für den eingestellten Leitungswinkel.

Die vorstehend beschriebene Arbeitsweise ergibt sich gemäß Fig. 2 durch die Verwendung einer Nulldurchgangsdetektoreinrichtung 22, die einen ersten und einen zweiten Eingang 22a bzw. 22b hat, welche mit dem ersten Eingang 10a bzw. mit dem zweiten Eingang 10b des Steuerkreises verbunden sind. Bei jedem Nulldurchgang der Spannung der Wechselstromquelle 12, die an die Netzklemmen L₁ und L₂ angeschlossen ist, erscheint ein Nulldurchgangssignal an dem Ausgang 22c der Nulldurchgangsdetektoreinrichtung 22. Das Nulldurchgangssignal an dem Ausgang 22c wird an einen ersten

EIN-Eingang 24a einer Ansteuerschalteinrichtung 24 angelegt. Daraufhin wird ein erster EIN-Ausgang 24b freigegeben, um eine nachgeschaltete Ansteuereinschalteinrichtung 26 zu veranlassen, ein Ansteuersignal an einen Ansteuereingang 14a der Leistungsschalteinrichtung 14 anzulegen und die Stromleitung in dieser zwischen den Klemmen 14b und 14c beginnen zu lassen. Ein zweiter AUS-Ausgang 24d kann bei Bedarf gleichzeitig gesperrt werden, wenn der erste EIN-Ausgang 24c freigegeben wird. Eine Abschalteinstelleinrichtung 28 gibt an ihrem Ausgang 28a ein Abschaltsignal an einen zweiten AUS-Eingang 24c, der Ansteuerschalteinrichtung 24 ab. Das Abschaltsignal wird zu einer Zeit nach jedem Nulldurchgang geliefert, die mittels einer zugeordneten Steuereinrichtung 28b festgelegt wird (welche Teil der Ansteuerschalteinrichtung 24 sein kann oder wie dargestellt Teil der Abschalteinstelleinrichtung 28 ist). Das Abschaltsignal kann geliefert werden, wenn der Laststrom den eingestellten Maximallaststrom I_M übersteigt, was durch eines der Signale oder beide Signale an dem Eingang 28c dargestellt wird, der die Spannung an der Lastschalteinrichtung 14 und/oder an dem Lastwiderstand 11 überwacht. Auf den Empfang eines Abschaltsignals an dem zweiten AüS-Eingang 24c hin oder anderweitig gibt die Ansteuerschal teinrichtung 24 einen zweiten AUS-Ausgang 24d frei, um eine nachgeschaltete Ansteuerabschalteinrichtung 30 zu veranlassen, das Ansteuersignal an dem Ansteuereingang 14a der Leistungsschalteinrichtung 14 abzuschalten und das Leiten der Leistungsschalteinrichtung sowie das Fließen des Laststroms I_T zu beenden; die Ansteuerabschalteinrichtung 30 ist eine Sanftabschalteinrichtung, die bewirkt, daß das Ansteuersignal an dem Eingang 14a der Leistungsschalteinrichtung 14 relativ allmählich verringert wird, was bewirkt, daß das Leiten des Laststroms I_T in der

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Leistungsschalteinrichtung 14 allmählich bis zur Beendigung verringert wird, was eine geringere Erzeugung von elektromagnetischem Brumm zur Folge hat. Selbstverständlich kann

die Ansteuerabschalteinrichtung 30 bei Bedarf eine abrupte Beendigung des Ansteuersignals an der Leistungsschalteinrichtung 14 mit einer entsprechenden abrupten Beendigung des Fließens des Laststroms I₇. bewirken, wenn eine allmäh-

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liehe Beendigung nicht erwünscht oder erforderlich ist. Bei Bedarf kann das Freigeben des zweiten Ausgangs 24d von dem gleichzeitigen Sperren des Ausgangs 24c begleitet sein, obgleich der letztgenannte Ausgang 24c im allgemeinen bei dem Freigeben des Ausgangs 24d gesperrt wird und gesperrt gehalten wird, bis er anschließend durch ein nächstes Nulldurchgangssignal an dem Eingang 24a wieder freigegeben wird. Wenn die Leistungsschalteinrichtung 14 bei einem Nulldurchgang der Quellenspannungsschwingung einzuschalten ist, dann hat der Laststrom bei einer im wesentlichen ohmschen Last 11 im wesentlichen die Größe null,, und es wäre zwecklos, das Einschaltansteuersignal an den Eingang 14a allmählich anzulegen. Die Ansteuereinschalteinrichtung 26 und die Ansteuerabschalteinrichtung 30 können von dem Typ sein, der in einer älteren deutschen Patentanmeldung P 34 20 008 der Anmelderin angegeben ist. In der Abschalteinstelleinrichtung 28 kann die Schaltungsanordnung benutzt werden, die in der älteren deutschen Patentanmeldung P 34 20 003 der Anmelderin angegeben ist.

Eine Anzahl verschiedener Ausführungsformen für die Leistungsschalteinrichtung 14 ist möglich: Leistungsfeldeffekttransistoren (FETs), z.B. wie in Fig. 2 dargestellt; bipolare Leistungstransistoren; Isolierschichtgleichrichter (IGRs) oder -transistoren (IGTs), z.B. wie in den Fig. 2a und 2b dargestellt, und dgl. können alle benutzt werden. Allgemein kann die Leistungsschalteinrichtung 14 aus irgendeiner Einrichtung bestehen, die eingeschaltet werden

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kann, damit sie einen Wechselstrom leitet, und anschließend abgeschaltet werden kann, um das Leiten dieses Stroms zu beenden, und zwar bei einer von null verschiedenen Spannung an dieser Einrichtung und bei einem Stromfluß von null in dieser Einrichtung. Daher kann gemäß der Darstellung in Fig. 2 die Leistungsschalteinrichtung 14 zwei Leistungs-FETs 32a und 32b enthalten, deren Drain-Source-Stromleitungskanäle in Reihe zwischen den Schalteinrichtungsklemmen 14b und 14c liegen, d.h. zwischen den Steuerkreisklemmen 10b und 10c, und:.deren Steuer- oder Gateelektroden zu dem Steuereingang i4_a parallel geschaltet sind. Da Leistungs-FETs 32a und 32b im Idealfall in einer Richtung leitende Vorrichtungen sind, ist eine von zwei Rückwärtsleitungsdioden 34a und 34b an den Drain-Source-Kreis von jedem angeschlossen und in Stromleitungsrichtung entgegengesetzt zu der Stromleitungsrichtung der zu schützenden Vorrichtung 32 gepolt. Praktische und gegenwärtig verfügbare Leistungs-FETs 32 haben typisch parasitäre Dioden 34, die bereits parallel zu deren gesteuert leitenden Kanälen gebildet und in der richtigen Richtung gepolt sind; externe Dioden 34 sind dann nicht erforderlich. Der gemeinsame Leitungspunkt der FETs 32 und der Dioden 34 ist mit einem gemeinsamen Potentialpunkt der Schaltung verbunden. In den Fig. 2a und 2b sind die gesteuerten Schaltvorrichtungen 32a¹ und 32b¹ Isolierschichttransistoren, deren Steuer- oder Gateeingang jeweils mit dem Leistungsschalteinrichtungssteuereingang 14a verbunden ist und, da IGTs normalerweise keine parasitären Dioden haben, ist bei jedem der Anode-Katode-Stromleitungspfad zu einer Rückwärtsleitungsdiode 34 parallel geschaltet. Die gemeinsame Verbindung zwischen den beiden Isolierschichttransistoren und deren parallelen Dioden ist wieder mit einem gemeinsamen Potentialpunkt der Schaltung verbunden.

Fig. 2a zeigt eine erste gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform des Rückwärtsphasensteuerungsleistungsschaltkreises 10¹.

Es wird die gleiche Nulldurchgangsdetektoreinrichtung 22 sowohl in dieser ersten Ausführungsform als auch in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform 10¹¹, die in Fig. 2b dargestellt ist, benutzt. Der erste Detektoreingang 22a ist über einen Begrenzungsreihenwiderstand 38 mit dem nichtinvertierenden Pluseingang 40a eines ersten Komparators 40 verbunden. Der zweite Nulldurchgangsdetektoreingang 22b ist über einen weiteren Begrenzungswiderstand 42 mit einem invertierenden Minuseingang 40b des Komparators verbunden. Die Anoden einer ersten und einer zweiten Schutzdiode 44a und 44b sind mit dem gemeinsamen Potentialpunkt der Schaltung verbunden, und deren Katoden sind mit den zugeordneten Komparatoreingängen 40a bzw. 40b verbunden. Von einem zweiten Paar Schutzdioden 44c und 44d sind jeweils die Katoden mit einem positiven Betriebspotential +V und die Anoden jeweils mit einem der Komparatoreingänge 40a bzw. 40b verbunden. Das Betriebspotential +V wird einer Quelle 46 entnommen, die eine Kapazität 47 enthält, der eine Z-Diode 48 parallel geschaltet ist, welche eine Zener-Spannung von +V Volt hat; wenn die Eingangsklemme L₂ in bezug auf den gemeinsamen Schaltungspunkt positiv ist und eine Größe hat, die etwas größer als +V Volt ist, fließt Strom durch den Widerstand 42 und die in Durchlaßrichtung betriebene Diode 44d, um eine Kapazität 46 auf die durch die Z-Diode 48 eingestellte Maximal spannung von +V aufzuladen. Wenn die Klemme L₁ in bezug auf den gemeinsamen Schaltungspunkt positiv ist, fließt ebenso Strom durch den Widerstand 38 und die Diode 44c, um auch den Kondensator 47 aufzuladen.

Bei jedem Nulldurchgang der Spannung an den Klemmen L₁ und L₂ ändert die Spannung an einem ersten Komparatorausgang 40c abrupt die Amplitude. Diese Amplitudenänderung wird direkt einem ersten Eingang 50a eines Exklusiv-NOR-Gatters 50 zugeführt, welches eine verzögerte Version der Amplitudenänderung an ihrem anderen Eingang 50b aufgrund einer

Verzögerungsschaltung 51 empfängt (die ihrerseits einen Reihenwiderstand 51a und eine Parallelkapazität 51b enthält) . Daher führen bei jedem Nulldurchgang der Eingangsspannung sschwingung die Eingänge 50a und 50b des Gatters für eine kurze Zeit unterschiedliche Amplituden, wobei ' diese Zeit von der durch die Verzögerungsschaltung 51 hervorgerufenen Verzögerung abhängig ist, und der Gatterausgang 50c ändert sich von einem höheren Ruhespannungswert auf einen niedrigeren Spannungswert, was einen Impuls auf den Nulldurchgang hin ergibt. Dieser Impuls wird über den Nulldurchgangsdetektorausgang 22c an den ersten EIN-Eingang 24a der Ansteuerschalteinrichtung 24 angelegt.

In der Ansteuerschalteinrichtung 24 wird ein als integrierte Schaltung ausgebildeter Zeitgeber benutzt, wie beispielsweise die integrierte Standardschaltung 7555 oder dgl. Der Zeitgeber 52 wird mit dem Betriebspotential +V an einem ersten Eingang 52a in bezug auf das gemeinsame Schaltungspotential an einer weiteren Klemme 52b versorgt. Die Triggereingangsklemme 52c ist mit dem ersten EIN-Eingang 24a der Ansteuerschalteinrichtung 24 verbunden und empfängt die negativgehenden Nulldurchgangsimpulse aus der Nulldurchgangsdetektoreinrichtung 22. Auf jeden negativgehenden Impuls an dem Eingang 52c hin wird eine Ausgangsklemme 52d auf einen höheren Ausgangsspannungswert gesetzt. In der Ausführungsform nach Fig. 2a hat die AnSteuerschalteinrichtung 24 einen gemeinsamen Ausgang 24b¹, der benutzt wird, um a) bei einem höheren Ausgangsspannungswert die Ansteuerein schalteinrichtung 26 freizugeben und die Ansteuerabschalteinrichtung 30 zu sperren, und b) bei einem niedrigeren Ausgangsspannungswert die Einschalteinrichtung 26 zu sperren und die Abschalteinrichtung 30 freizugeben. Daher wird die Ausgangsklemme 52d zu dem einzigen Ausgang 24b¹ der AnSteuerschalteinrichtung 24. Eine Entladeklemme 52e und eine Schwellenwertklemme 52f sind parallel geschaltet;

diese Parallelschaltung ist ihrerseits über einen zeitbestinraienden Widerstand 54 mit dem positiven Betriebspotential +V und über ein zeitbestimmendes kapazitives Element 56 mit dem gemeinsamen Schaltungspotential verbunden. Ein Rücksetzeingang 52g ist mit dem zweiten AüS-Eingang 24c der Ansteuerschalteinrichtung 24 verbunden.

Die Ansteuereinschalteinrichtung 26 enthält eine in einer Richtung leitende Vorrichtung in Form einer Diode 26a, die in Durchlaßrichtung betrieben wird, wenn sie den höheren "EIN"-Spannungswert an dem gemeinsamen Ansteuerschalteinrichtung sausgang 24b¹ empfängt. Diese Spannung wird über die leitende Diode 26a an die Leistungsschaltvorrichtungseingangssteuerklemme 14a angelegt, wodurch diejenige der Schaltvorrichtungen 32 eingeschaltet wird, die dann ein positives Potential an ihrer Anode hat (in Abhängigkeit von der Schwingungshalbperiode der an die Netzklemmen L₁ und L-angeschlossenen Wechselstromquelle 12) . Der Laststrom I₁. beginnt zu fließen, und zwar sequentiell über den Lastwiderstand 11 in die Leistungsschalteinrichtungsklemme 14b oder 14c und dann über die Vorrichtung 32a oder 32b, die im leitenden Zustand ist, und von dieser aus über die Diode 34b, die zu der anderen, nichtleitenden Vorrichtung 32 parallel ist, bevor er über die andere Leistungsschaltvorrichtungsklemme 14c oder 14b hinausfließt. Der Durchlaßoder Vorwärtsleitungsspannungsabfall an der leitenden Leistungsschaltvorrichtung 32a¹ oder 32b¹ wird durch die Verbindung der Anode jeder Leistungsschaltvorrichtung mit einer gesonderten Überwachungsklemme 28c-1 oder 28c-2 überwacht. Die VorwärtsIeitungsspannung an der Klemme 28c-1 oder 28c-2, die einer leitenden Vorrichtung 32 zugeordnet ist, wird an den invertierenden Minuseingang 60a eines zweiten Komparators 60 über einen von zwei zugeordneten Begrenzungswiderständen 62a, 62b angelegt. Der invertierende Eingang 60a ist außerdem mit der Anode einer Schutzdiode 64 verbunden, deren Katode das positive Betriebspotential

+V empfängt, so daß die Spannung an dem Komparatoreingang 60a niemals das Betriebspotential +V wesentlich überschreitet, selbst wenn die Spannung an einer der Leistungsschaltvorrichtungen 32a¹ und 32b¹ eine Größe hat, die die Größe +V des Betriebspotentials übersteigt. Ein nichtinvertierender Pluseingang 60b des zweiten Komparators 60 ist mit der Abschalteinstelleinrichtungssteuerunterschaltung 28b verbunden, die in dem hier dargestellten Beispiel ein festes Abschaltreferenzpotential V ,„„ an dem gemeinsamen Verbin-

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dungspunkt zwischen zwei Spannungsteilerwiderstandselementen 66a und 66b liefert, welche in Reihe zwischen das Betriebspotential +V und das gemeinsame Schaltungspotential geschaltet sind.

Ein Ausgang 60c des zweiten Komparators 60 ist mit dem Abschalteinstelleinrichtungsausgang 28a und weiter mit dem zweiten AUS-Eingang 24c der Ansteuerschalteinrichtung 24 und mit der Rücksetzklemme 52g verbunden. Immer dann, wenn der Vorwärtsleitungsspannungsabfall der leitenden Schaltvorrichtung 32a¹ oder 32b¹ eine Größe hat, die eine Spannung an dem Eingang 60a ergibt, welche das feste Referenzpotential V an dem Eingang 60b übersteigt, ändert daher der Komparatorausgang 60c seinen Zustand, fällt auf eine relativ niedrige Spannung ab und setzt den gemeinsamen Ansteuerschalteinrichtungszeitgeberausgang 24b¹ auf eine relativ niedrige AUS-Spannung zurück. Bei einer Last 11, die beim Anlauf einen Widerstand hat, der kleiner ist als der normale "heiße" Betriebswiderstand, wird das Rücksetzen des Ausgangs 24b" relativ bälder nach dem Setzen desselben erfolgen, und zwar wegen der hohen Einschaltstromspitze bei dem anfänglichen Einschalten der Last, und das Zeitintervall zwischen dem Setzen und dem Rücksetzen des Ausgangs 24b¹ wird allmählich größer, wenn die Größe des Widerstands R_L der Last 11 mit der Zeit größer wird und die Last bestrebt ist, sich stationären Bedingungen zu nähern.

Die Diode 26a der Ansteuereinschalteinrichtung 26 legt den höheren Spannungswert an dem gemeinsamen Ausgang 24b¹ im wesentlichen augenblicklich an den Schaltvorrichtungssteuereingang 14a an. Wenn der gemeinsame Ausgang 24b¹ auf den niedrigeren Spannungswert rückgesetzt wird, und zwar auf eine abfallende Spannungsflanke an dem Ausgang 60c des zweiten Komparators hin, wird die Diode 26a in Sperrichtung vorgespannt, und diejenige der Leistungsschaltvorrichtungen 32a¹, 32b¹, die dann leitend ist, wird durch die Wirkung der Sanftansteuerabschalteinrichtung 30 abgeschaltet.

Die Sanftansteuerabschalteinrichtung 30 enthält einen Stromquellentransistor 70, dessen Emitterelektrode über einen Stromeinstellwiderstand 72 mit dem gemeinsamen Potential verbunden ist. Die Basiselektrode des Transistors 70 ist mit dem gemeinsamen Potential über eine Temperaturkompensationsdiode 74 (deren Anode mit der Basiselektrode verbunden ist) und einen ersten Vorspannungswiderstand 76 verbunden. Ein zweiter Vorspannungswiderstand 78 ist zwischen die Basiselektrode des Transistors 70 und den Ausgang eines Inverters 80 geschaltet. Der Invertereingang ist mit dem Abschalteinrichtungseingang 30a verbunden. Eine Ladekapazität 82 ist zwischen Massepotential, die Kollektorelektrode des NPN-Transistors 70 und die Basiselektrode eines Quellenspannungsfolgertransistors84 entgegengesetzter Polarität (PNP) geschaltet. Die Emitterelektrode des zweiten Transistors 84 ist mit der Ansteuerabschalteinrichtungsausgangsklemme 30b an der Leistungsschalteinrichtungssteuereingangsklemme 14a verbunden. Eine Stabilisierungskapazität 86 ist zwischen den Ausgang 30b und das gemeinsame Potential geschaltet. Die Kollektorelektrode des Transistors 84 ist mit der Ansteuerabschalteinrichtungseingangsklemme 3 0a verbunden. Die Verbindung zwischen der Emitterelektrode des Transistors 70 und dem Stromeinstellwiderstand 72 ist jeweils mit einer Klemme von zwei Widerstandselementen 88a bzw. 88b verbunden, deren andere Klemme jeweils über eine Trennkapazität 90a

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bzw. 90b mit der ersten bzw. zweiten Abschaltsteuerklemme 30c-1 bzw. 30c-2 verbunden ist. Jede Klemme 30c-1 und 30c-2 ist mit der Anode der zugeordneten Leistungsschaltvorrichtungen 32a¹ bzw. 3 2b¹ parallel mit den zugeordneten Ausgängen 28c-1 bzw. 28c-2 verbunden.

Die Arbeitsweise der Sanftansteuerabschalteinrichtung 30 ist ausführlicher in der oben erwähnten älteren deutschen Batentanmeldung P 34 20 008 erläutert. Kurz zusammengefaßt sei angegeben, daß, wenn der gemeinsame Ausgang 24b¹ auf einem hohen Spannungswert ist, ein niedrigerer Spannungswert an dem Ausgang des Inverters 80 vorhanden ist, wodurch der Stromquellentransistor 70 in den Sperrzustand gebracht wird. Die Spannung an dem Kollektor des Spannungsfolgertransistors 84 ist nun um die Größe des Spannungsabfalls an der Diode 26a größer als die Emitterspannung an demselben Transistor, wodurch der Transistor 84 ebenfalls gesperrt ist. Deshalb beeinflußt die Abschalteinrichtung den Ansteuereinschaltbetrieb der Leistungsschalteinrichtung 14 nicht. Wenn die Spannung an dem gemeinsamen Ansteuerschal teinrichtungsausgang 24b¹ auf einen niedrigeren Spannungswert sinkt, wird die Diode 26a in Sperrichtung vorgespannt und dadurch aus der Schaltung effektiv entfernt; das Ausgangssignal des Inverters 80 steigt auf eine höhere Spannung an, durch die der Stromquellentransistor 70 freigegeben wird. Die niedrigere Spannung an der Eingangsklemme 30a bringt nun die Kollektorelektrode des Transistors 84 auf ein Potential, das niedriger ist als dessen Emitterpotential (welches aufgrund der Ladung vorhanden ist, die in der Gatesteuerstruktur der Schaltvorrichtungen und der Stabilisierungskapazität 86, falls diese benutzt wird, gespeichert ist), wodurch der Spannungsfolgertransistor 84 ebenfalls in dem aktiven Zustand ist. Die Ladung wird aus dem Kondensator 82 über den Stromquellentransistor 70 mit einer Geschwindigkeit abgezogen, die am Anfang durch die Größe des Stromeinstellwiderstands 72 festgelegt wird.

Wenn die Ladung aus dem Kondensator 82 abgeleitet wird, bewirkt der Spannungsfolgertransistor 84, daß die Spannung an der Steuereingangskleimne 14a mit einer relativ schnellen Geschwindigkeit abnimmt, was bewirkt, daß die Drain-Source-Spannung der Schaltvorrichtung abnimmt, bis die Vorrichtungssättigungsschwellenspannung erreicht wird und die Vorrichtung abzuschalten beginnt. Die Leistungsschaltvorrichtung verläßt das Sättigungsgebiet und tritt in das aktive Gebiet ein, und es tritt eine beträchtliche Anodenspannungsänderung dV/dt auf, wenn der Laststrom I_L abzunehmen beginnt. Die Erhöhung dV/dt der Drain-Source-Spannung der Schaltvorrichtung wird über den zugeordneten Kondensator 90a oder 90b (je nachdem, welche der Vorrichtungen 32a¹ und 32b' aktiv war und nun abgeschaltet ist) gekoppelt und bewirkt, daß ein Strom über den Stromeinstellwiderstand 72 injiziert wird. Da die Spannung an dem Widerstand 72 im wesentlichen konstant bleiben muß, während der Stromquellentransistor freigegeben ist, sinkt der durch den Transistor 70 fließende Kollektorstrom vorübergehend und die zeitliche Änderung der Spannung an der Kapazität 82 wird vorübergehend verkleinert, so daß die zeitliche Änderung der Gatesteuerspannung an der Eingangsklemme 14a vorübergehend verlangsamt wird. Diese langsamere Abnahme der Gatesteuerspannung verlangsamt vorübergehend die Abnahme des Laststroms I , was zu einem langsameren oder "sanften" Abschalten führt. Die zeitliche Spannungsänderung dV/dt der Schaltvorrichtung wird typisch auf etwa 5 Volt pro Mikrosekunde begrenzt, damit akzeptable Werte des über das Netz geleiteten elektromagnetischen Brumms und des Anodenspannungsüberschwingens erzielt werden, und zwar bei typischen Werten der Netzinduktivität (wodurch die Notwendigkeit von Filtern, Snubbern und dgl. vermieden wird). Nachdem die Schaltvorrichtung einen Mindestschwellenwert erreicht hat, nimmt die zeitliche Änderung der Spannung an ihr ab, wodurch die Stärke des Strom verringert wird, der über den geeigneten Widerstand der Widerstände 88 in den Widerstand

72 injiziert wird, was wiederum erlaubt, einen größeren Strom aus dem Kondensator 82 zu ziehen. Auf die größere zeitliche Änderung der Spannung an der Kapazität 82 hin nimmt die Spannung an dem Einrichtungsausgang 30a und an dem Leistungsschaltvorrichtungsgatesteuereingang 14a wieder mit einer sehr schnellen Geschwindigkeit ab, um die Ausgangsschaltvorrichtungen fest in das Abschaltgebiet zu bringen.

Der oben beschriebene Zyklus des Einschaltens der Leistungs schalteinrichtung 14 bei einem Nulldurchgang und des Abschaltens dieser Leistungsschalteinrichtung einige Zeit danach, die durch den Laststrom und/oder die Leistungsschaltvorrichtungsleitungskenndaten bestimmt wird, setzt sich fort, und zwar mit zunehmender Dauer jedes Intervalls, während welchem die Leistungsschalteinrichtung während des allmählichen "Aufheizens" des Lastwiderstands 11 und der zugeordneten Erhöhung des Widerstands derselben eingeschaltet wird. Wenn sich die Last erwärmt, nimmt daher die Zeit, die der Laststrom benötigt, um den zulässigen Spitzenstrom Ι« zu erreichen,zu, und die Abschaltzeit bewegt sich in der Halbperiode nach jeder Nulldurchgangseinschaltung zu einem späteren Zeitpunkt hin. Schließlich wird jeder eingeschaltete Teil in seiner Dauer zunehmen, bis die Last den normalen, stationären Strom aufnimmt, der kleiner ist als die maximale Stromgröße I„ (da I.. willkürlich auf einen Wert gesetzt wurde, der etwas größer ist als der gewünschte mitt lere Laststrom). Zum Aufrechterhalten des normalen Betriebes der Last hat die Zeitgeberschaltung 52 eine Zeitkonstan te (proportional zu dem Produkt des Widerstands 54 und der Kapazität 56), die so festgelegt ist, daß der Rücksetzschwellenwert an dem Ausgang 24b¹ durch das Integrieren der Spannung an dem Eingang 52f erreicht wird, bevor ein Rücksetzsignal an den Eingang 24c in dem normalen Stromzustand angelegt wird. Der Ausgang 24b¹ wird somit rückgesetzt und die Leistungsschalteinrichtung 14 wird abgeschaltet; gleichzeitig leitet die Klemme 52e die Ladung von dem

^: 3422225

zeitbestimmenden Kondensator 56 ab. Wenn der nächste Nulldurchgang der Quellenschwingung auftritt, empfängt der Eingang 24a ein EIN-Signal; die Leistungsschalteinrichtung 14 wird eingeschaltet, und die Entladungsklemme 52e wird gesperrt. Der Kondensator 56 beginnt, sich in Richtung auf das Betriebspotential +V aufzuladen, während der höhere Spannungswert an dem Ausgang 24b¹ vorhanden ist und der Laststrom fließt; wenn die Spannung an dem Kondensator 56 den Schwellenwert erreicht, wird der niedrigere Spannungswert an dem Ausgang 24b¹ wieder freigegeben, und sowohl die Leistungsschalteinrichtung 14 als auch die Zeitgebereinrichtung 52 werden für den nächsten Zyklus rückgesetzt. Lediglich dann, wenn eine "Ein"-Periode hohen Stromsauftritt, z.B. infolge einer Einschaltstromspitze, wird daher die Abschalteinstelleinrichtung 28 den Zeitgeberausgang 24b¹ sperren, bevor die Zeitsperre des Integrationsprozesses der Kombination aus dem Widerstand 54 und der Kapazität 56 erreicht wird. In vielen Fällen, in denen keine Einschaltstromspitze auftritt, wird die rückführungslose Steuerung des mittleren Laststroms, der durch Steuerung der "EIN"-Zeit erreicht wird, akzeptabel sein und kann erzielt werden, indem die Größe des zeitbestimmenden Widerstands 54 verändert wird (wie durch den gestrichelt dargestellten Pfeil an dem Widerstand 54 angegeben, der symbolisiert, daß es sich um einen einstellbaren Widerstand handelt) . In Fällen, in denen eine Spitzenstromsteuerung erwünscht ist, ist die Steuerung des maximalen Stroms I„ möglich, indem die Aus-Referenzspannung variabel gemacht wird, beispielsweise durch Verändern der Größe des Widerstands 66a (der ebenfalls durch den gestrichelt dargestellten Pfeil als einstellbarer Widerstand angegeben ist). In einigen Fällen können die beiden variablen Steuerungen (Widerstände 56 und 66a) erwünscht sein, und die Steuervorrichtungen derselben können bei Bedarf mechanisch gekuppelt werden, um den maximalen Strom I„ bei einer Veränderung des normalen Stroms (durch die Wirkung des Wider-

stands 56) zu verändern (durch die Wirkung des Widerstands 66a) .

Es ist äußerst erwünscht, soviel wie möglich von der Schaltung 10¹ in ein Gehäuse mit einer einzigen integrierten Schaltung zu integrieren; die einzige integrierte Schaltung kann die beiden Schaltvorrichtungen der Einrichtung 14 (bei niedrigeren mittleren Strombelastungen) enthalten oder kann mit zwei externen Leistungsschalthalbleitern benutzt werden (von denen jeder häufig eine rückwärtsgepolte parasitäre Diode hat, die als Teil seiner Struktur gebildet ist), so daß maximal drei diskrete Bauelemente notwendig sind, um die gesamte Rückwärtsphasensteuerschaltung zum Steuern der Größe des der externen Last 11 zugeführten Stroms zu bilden. Selbst wenn ein oder mehrere externe variable Widerstände erforderlich sind, z.B. zum Einstellen der Aus-Referenzspannung V ,„„ (z.B. mit einem Potentiometer, das als Einr, aus

stelleinrichtung 28b angeschlossen ist, und/oder einem Stellwiderstand zum Einstellen des Wertes des zeitbestimmenden Widerstands 54) zur Anpassung an Belastungen mit unterschiedlichen erforderlichen stationären Strömen, kann die gesamte Schaltung mit einem Minimum an Bauelementen hergestellt werden. Diese Konfiguration mit einer minimalen Anzahl von Bauelementen ist zwar äußerst erwünscht, die Verwendung der Schaltung 10¹ ist aber in einer Hinsicht weniger als ideal: die Verwendung eines einzelnen !Comparators in der Einrichtung 28, wobei beide Überwachungswiderstände 62 eine Klemme haben, die mit einem Eingang dieses einzelnen Komparators gemeinsam verbunden sind, kann Temperaturkompensationsprobleme mit sich bringen. Die Spannung an dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 62a und 62b ist in bezug auf Masse von der Leitungskanalsättigungsspannung der leitenden Vorrichtung 32a¹ oder 32b¹ abhängig, und von dem Spannungsabfall der in Durchlaßrichtung vorgespannten Schutzdiode 34b oder 34a an der anderen, nichtleitenden Schaltvorrichtung. Daher ist die Eingangsspannung V dieses

Komparators bei im wesentlichen gleichen Größen der Widerstände 62 gegeben durch V=(V +V,)/2, wobei V die Sätti-

CaQ SL

gungsspannung der leitenden Leistungsschaltvorrichtung und ν, der Spannungsabfall der leitenden Diode ist. Von der Sättigungsspannung V der leitenden Schaltvorrichtung und/ oder der Spannung V^ der leitenden Schutzdiode ist wenigstens eine temperaturempfindlich, wodurch sich die Komparator eingangsspannung V mit der Umgebungstemperatur und der Vorrichtungstemperatur und deshalb mit Änderungen des Diodenspannungsabfalls V, aufgrund von Veränderungen des normalen, stationären Laststroms I₁. verändert. Wenn die Refe-

Xj

renzspannung V „„„ der Einstelleinrichtung 28 so gewählt r, aus

wird, daß sie für diese Änderungen der Komparatoreingangsspannung temperaturkompensiert ist, treten wenig Probleme auf; durch die Verwendung der Sättigungsüberwachungsschaltungsanordnung nach der oben erwähnten älteren deutschen Patentanmeldung P 34 20 003 können Änderungen in der Schaltvorrichtungssättigung kompensiert werden, nicht aber im Schutzdiodenspannungsabfall. Wenn jedoch die Unterschaltung 28b ein Widerstandselementepaar ist, das in einer integrierten Schaltung gebildet ist, die sich nicht einmal , nahe bei den Schutzdioden 34a und 34b zu befinden braucht (und deshalb die sich ändernde Temperatur derselben nicht abfühlen kann), läßt sich die Temperaturkompensation nicht leicht erzielen.

Das Temperaturkompensationsproblem wird durch die Verwendung der zweiten bevorzugten Schaltungsausführungform 10'' nach Fig. 2b, in der gleiche Schaltungsteile gleiche Bezugszeichen tragen, wesentlich gemildert. Der Nulldurchgangsdetektor 22 stimmt mit dem Nulldurchgangsdetektor der ersten Ausführungsform 10' überein. Die Ansteuerschalteinrichtung 24' ist mit einem zusätzlichen Exklusiv-NOR-Gatter 80' versehen, das einen ersten Eingang 80'a hat, der mit der ersten EIN-Ausgangsklemme 24b verbunden ist, und einen zweiten Eingang 80'b, der mit dem gemeinsamen Potential verbunden ist.

Das Gatter wirkt als Inverter, so daß sein Ausgang 80'c, der mit dem gesonderten zweiten AUS-Ausgang 24d der Ansteuerschalteinrichtung 24" verbunden ist, auf einem Spannungswert ist, der zu dem entgegengesetzt ist, welcher an dem ersten EIN-Ausgang 24b vorhanden ist. Die Sanftansteuerabschalteinrichtung 30· gleicht der Sanftansteuerabschalteinrichtung 30 nach Fig. 2a, mit der Ausnahme einer Beteiligung an den Stabilisierungskondensatoren 86a und 86b zwischen der Sanftansteuerabschalteinrichtung 30' und der Leistungsschalteinrichtung 14* (was häufig notwendig ist wegen der Schwierigkeit, eine große Kapazität als Teil einer integrierten Schaltung vorzusehen) und der Verbindung des Stromquellenvorspannungswiderstands 78 mit einer gesonderten Eingangsklemme 30b¹, die ihrerseits mit dem nun gesonderten zweiten AUS-Ausgang der Sanftansteuerabschalteinrichtung verbunden ist. Die Änsteuereinschalteinrichtung 26' ist ein steuerbares, in zwei Richtungen leitendes Schaltelement 27, das zwischen das Betriebspotential +V der Quelle und die Steuer(Gate)-Eingangsklemme 14a der Leistungsschalteinrichtung geschaltet ist und einen Steuereingang 27a hat, der mit dem ersten EIN-Ausgang 24b der Ansteuerschalteinrichtung verbunden ist. Das leitende Element 27 wird durch einen höheren Spannungswert an dem Eingang 27a in einen Zustand niedriger Impedanz gesteuert, um die Leistungsschaltvorrichtungen durch Anlegen des Betriebspotentials V an deren Gateelektroden bei Speisung des ersten EIN-Ausgangs 24b einzuschalten, und wird durch das Vorhandensein des niedrigeren Spannungswerts an dem Ausgang 24b abgeschaltet, um eine sehr große Impedanz zwischen der Betriebsspannung +V der Quelle und dem Steuereingang 14a zu schaffen.

Die Abschalteinstelleinrichtung 28' hat einen anderen Schaltungsaufbau, denn es werden zwei Komparatoren 92 und 94 benutzt. Der nichtinvertierende +Eingang 92a bzw. 94a jedes Inverters ist mit derjenigen Klemme des zugeordneten Über-

wachungswiderstands 62b bzw. 62a verbunden, die am weitesten von der zugeordneten Überwachungsklemme 28c-2 bzw. 28c-1 entfernt ist. Die nichtinvertierenden Eingänge 92a bzw. 94a sind jeweils über eine steuerbare, in zwei Richtungen leitende Schalteinrichtung 96 bzw. 98 mit dem gemeinsamen Potential verbunden. Die Steuereingänge 96a bzw. 96b der Schalteinrichtungen 96 bzw. 98 sind parallel mit einem weiteren Eingang 28'd verbunden, der seinerseits mit dem zweiten AUS-Ausgang 24d der Ansteuerschalteinrichtung 24' verbunden ist. Die invertierenden Eingänge 92b und 94b der Komparatoren sind jeweils mit der das Referenzpotential liefernden Verbindungsstelle der Einrichtung 28b verbunden, d.h. mit der Verbindung zwischen den Widerständen 66a und 66b. Der Ausgang 92c des ersten Komparators 92 ist mit einem ersten Eingang 99a eines weiteren Exklusiv-NOR-Gatters 99 verbunden, wohingegen der andere Eingang 99b mit dem Ausgang 94c des zweiten !Comparators 94 verbunden ist. Der Gatterausgang 99c ist mit dem Ausgang 28'a der Abschalteinstelleinrichtung 28* und daher mit dem zweiten AUS-Eingang 24c der Ansteuerschalteinrichtung 24' verbunden.

Zur Beschreibung der Arbeitsweise wird zuerst der Fall einer Last 11 betrachtet, deren Lastwiderstand R_ entweder eine im wesentlichen konstante Größe hat oder deren Lastwiderstand nicht konstant ist, die aber ausreichend lange Zeit in Betrieb gewesen ist, so daß die Einschaltstromspitzenerscheinung des Laststroms bereits vorüber ist. Das Fließen des LastStroms I_L wird bei jedem Nulldurchgang der Quellenspannung sschwingung durch den negativgehenden Impuls an dem Detektorausgang 22c eingeleitet, was bewirkt, daß der Ansteuerschalteinrichtungsausgang 24b auf dem höheren Spannungswert und der Ansteuerschalteinrichtungsausgang 24d auf dem niedrigeren Spannungswert ist. Infolgedessen ist das leitende Element 27 der Ansteuereinschalteinrichtung 26' leitend und liefert ein ausreichend großes positives Gatepotential zum Einschalten derjenigen der Leistungsschaltvorrichtungen 32a¹,

32b¹, die dann ein positives Anodenpotential hat. Der Strom fließt von einer Netzklemme über die Reihenschaltung des Lastwiderstands 11, die dann leitende Schaltvorrichtung 32a¹ oder 32b¹ und die dann leitende Schutzdiode 34a oder 34b zu der anderen Netzklemme. Da die Spannung an dem zweiten Ausgang 24d niedrig ist, ist der Stromquellentransistor 70 der Abschalteinrichtung 30' gesperrt und der Spannungsfolgertransistor 84 derselben Einrichtung ist durch die höhere Kollektorspannung an dem Eingang 30a¹ gesperrt. Die niedrige Spannung an dem Ausgang 24d bringt außerdem die Schaltelemente 96 und 98 in den Zustand hoher Impedanz, wodurch die Abschalteinstelleinrichtung 28' wirksam gemacht wird. Da jedoch die Zeitspanne hoher Einschaltstromspitze bereits verstrichen ist, wird normalerweise kein "Aus"-Impuls an dem Gatterausgang 99c erzeugt (sofern nicht der Laststrom plötzlich ansteigt und größer wird als der eingestellte Maximallaststrom I_M), und das Schalten des Ausgangs 52d des als integrierte Schaltung (IS) ausgebildeten Zeitgebers 52 wird normalerweise durch die Ladezeit des zeitbestimmenden Widerstands 54 und der zeitbestimmenden Kapazität 56 gesteuert. Zu der Zeit, zu der die Schwellenspannung an dem Eingang 52f den geeigneten Wert erreicht, wird der Ausgang 52d umgeschaltet, was die niedrigere Ausgangsspannung an dem ersten AUS-Ausgang 24b und die höhere Spannung an der zweiten AUS-Klemme 24d ergibt. Infolgedessen wird das Schaltelement 27 abgeschaltet, wohingegen die Sanftansteuerabschalteinrichtung 30' freigegeben wird, um den Laststromfluß auf oben beschriebene Weise allmählich zu beendigen. Gleichzeitig damit wird die höhere Spannung an dem Ausgang 24d an die Steuereingänge 96a und 98a der Schaltelemente 96 und 98 angelegt, was relativ kleine Impedanzen von jedem der Komparatoreingänge her an dem gemeinsamen Schaltungspunkt schafft, wodurch die Abschalteinstelleinrichtung gesperrt und verhindert wird, daß ein falsches Abschaltsignal an dem zweiten AUS-Eingang 24c der Ansteuerschalteinrichtung erscheint und möglicherweise das

nächste folgende Einschalten derselben bei dem nächsten folgenden Nulldurchgang der Quellenspannungsschwingung stört. Der mittlere Laststrom I- wird daher rückführungslos gesteuert/ wobei aber Vorkehrungen getroffen sind, daß während des normalen Betriebes kein übermäßig großer Strom fließt.

Der Betrieb mit hoher Einschaltstromspitze gleicht im wesentlichen der vorstehend beschriebenen Betriebsfolge, und zwar in bezug auf das Einschalten, und den Beginn des Stromflusses in der Leistungsschalteinrichtung 14 auf jeden Nulldurchgang der Quellenspannungsschwingung hin. Die Laststromabschaltung wird wie in der Ausführungsform 10" nach Fig. 2a im wesentlichen durch die Abschalteinstelleinrichtung 28' gesteuert. Wenn jedoch der Augenblickswert des Laststroms I, den Maximalwert I„ erreicht, wird die zugeordnete Schaltvorrichtungssättigungsspannung, die an einer der Überwachungsklemmen 28c-1, 28c-2 erscheint, lediglich über den zugeordneten Strombegrenzungswiderstand 62a oder 62b direkt an den zugeordneten Komparatoreingang 94a bzw.92a angelegt, und zwar ohne Spannungsteilung und ohne den Einfluß des temperaturbezogenen Spannungsabfalls der leitenden Schutzdiode an derjenigen der Leistungsschalteinrichtung svorrichtungen, die nichtleitend ist. Da die Überwachung der Schaltvorrichtungssättigungsspannung während des EIN-Teils des Leistungsschalteinrichtungsbetriebes erfolgt, ist der Ansteuerschalteinrichtungsausgang 24d in dem Zustand niedriger Spannung, und beide Schaltelemente 96 und 98 sind in den Zustand hoher Impedanz gesteuert worden und deshalb effektiv unterbrochen. Wegen der hohen Eingangsimpedanz jedes Komparators 92, 94 ist die Spannung an den nichtinvertrierenden Eingängen 92a, 94a derselben nur zu der Spannung an der zugeordneten Schaltvorrichtung 32a¹ bzw. 32b¹ im wesentlichen proportional, und die temperaturbezogenen Effekte sind beträchtlich reduziert. Wenn der Augenblickslaststrom den Maximalstrom I_M überschreitet, der sich

auf eine Vorrichtungssättigungsspannung bezieht, die ihrerseits durch das Referenzpotential an den Komparatoreingängen 92b, 94b eingestellt wird, ändert sich daher die Spannung an dem Komparatorausgang 92c oder 94c auf einen Wert, der sich von dem Spannungswert an dem anderen Komparatorausgang unterscheidet, was eine negativgehende Änderung an dem Gatterausgang 99c ergibt, durch die die Zeitgeberschaltung 52 rückgesetzt und die Spannungswerte an den Ansteuerschalteinrichtungsausgängen 24b bzw. 24d umgeschaltet werden . Wie in der ersten Ausführungsform ist die Länge der Zeit des leitenden Zustands nach jedem Nulldurchgangseinschaltpunkt von dem vorhandenen Widerstand der Last 11 abhängig, der kontrolliert ansteigt, und zwar durch die Wirkung der Einrichtung 28', die das "Ein"-Zeitintervall vergrößert, bis die Einschaltstromspitzenerscheinung aufhört und der normale Betrieb der Schaltung auf oben beschriebene Weise weitergeht.

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Claims

Patentansprüche :

( 1.jRückwärtsphasensteuerungsleistungsschaltkreis zum
Steuern des Leitungswinkels des von einer Wechselstromquelle (12) durch eine Last (11) fließenden Stroms, gekennzeichnet durch:

eine Leistungsschalteinrichtung (14) in Reihenschaltung
mit der Last (11) und der Quelle (12) zum Gestatten eines Stromflusses durch die Last bei einem ersten Eingangszustand und zum Sperren des Stromflusses durch die Last bei einem zweiten Eingangszustand;

eine erste Einrichtung (22) zum Erzeugen des ersten Eingangszustands an der Leistungsschalteinrichtung (14) bei jedem Nulldurchgang der Wechselstromsignalschwingung der Quelle (12) und

eine zweite Einrichtung (24) zum Erzeugen des zweiten Eingangszustands an der Leistungsschalteinrichtung (14) zu
einer Beendigungszeit nach dem Auftreten jedes Nulldurchgangs und vor dem Auftreten des nächsten folgenden Nulldurchgangs, die so gewählt wird, daß der gewünschte Leitungswinkel des Stromflusses in der Last (11) festgelegt wird.
2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung (24) eine Einrichtung (30) enthält zum allmählichen Verringern des Stromflusses in der Leistungsschalteinrichtung (14) mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit, die kleiner ist als die schnellste Geschwindigkeit, mit der der Stromfluß in der Leistungsschalteinrichtung beendet werden kann.
3. Schaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine dritte Einrichtung (28) zum Versorgen der zweiten Einrichtung (24) mit einem Abschaltsignal, wenn der in der Last (11) fließende Augenblicksstrom einen voreingestellten Maximalstrom (I.,) übersteigt, wobei die zweite Einrichtung (24) den zweiten Eingangszustand an der Leistungsschalteinrichtung (14) erzeugt, wenn das Abschaltsignal vor der durch die zweite Einrichtung festgelegten Beendigungszeit auftritt.
4. Schaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung (28) enthält: eine Einrichtung (28c-1, 28c-2) zum Überwachen des durch die Leistungsschalteinrichtung (14) fließenden Augenblicksstroms und zum Bilden einer dazu in Beziehung stehenden Überwachungsspannung; eine Einrichtung (28b) zum Bilden einer Referenzspannung; und eine Vergleichseinrichtung (60) zum Erzeugen des Abschaltsignals, sobald die Überwachungsspannung die Referenzspannung übersteigt.
5. Verfahren zum Steuern des Leitungswinkels eines Stroms, der von einer Wechselstromquelle aus durch eine Last fließt, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Reihenschalten einer Leistungsschalteinrichtung mit der Last und der Quelle;

b) Erfassen jedes Nulldurchgangs der Wechselstromsignalschwingung der Quelle, um ein erstes Signal zu liefern;

c) Versetzen der Leistungsschaltexnrichtung in einen Einschaltzustand, der einen Stromfluß durch die Last gestattet, bei jedem Auftreten des ersten Signals;

d) Sperren der Leistungsschaltexnrichtung, um den Stromfluß von der Quelle aus durch die Last zu beendigen, am Ende eines gewählten Zeitintervalls nach dem Auftreten jedes ersten Signals und vor dem Auftreten eines nächsten folgenden ersten Signals; und

e) Wählen des Zeitintervalls, während welchem die Leistungsschaltexnrichtung Strom leitet, um den gewünschten Leitungswinkel des durch die Last fließenden Stroms festzulegen .
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt d) den Schritt enthält: allmähliches Verringern des durch die Leistungsschaltexnrichtung fließenden Stroms mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit, die kleiner ist als die schnellste Geschwindigkeit, mit der der durch die Leistungsschaltexnrichtung fließende Strom beendet werden kann.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:

f) Festlegen eines maximalen Augenblickslaststroms, dessen Größe größer ist als die mittlere Laststromgröße;

g) Überwachen der Augenblickslaststromgröße; und

h) Sperren der Stromleitung in der Leistungsschaltexnrichtung durch den Schritt d), wenn der überwachte Augenblickslaststrom den vorbestimmten maximalen Augenblicksstrom übersteigt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem der Widerstand der Last nach jedem ersten Anschließen der Last an die Quelle mit der Zeit zunimmt, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte: Vergrößern des Zeitintervalls, während welchem die Leistungsschaltexnrichtung während jeder Quellen-

spannungsschwingungshalbperiode leitend ist, durch Sperren des Stromflusses nur auf den Schritt h) hin, wenn der Schritt h) vor dem Schritt e) auftritt, und Beendigen der Stromleitung in der Leistungsschalteinrichtung am Ende des gewählten Zeitintervalls des Schrittes e), um die mittlere Laststromgröße festzulegen, nachdem der Lastwiderstand einen vorbestimmten Wert erreicht hat und der Schritt h) aufhört, vor dem Schritt d) aufzutreten.
9. Rückwärtsphasensteuerungsleistungsschaltkreis zum Steuern der Größe des von einer Wechselstromquelle (12) aus durch eine Last (11) fließenden Stroms, gekennzeichnet durch:

eine Leistungsschalteinrichtung (14) mit einem Eingang (14a) und einem gesteuert leitenden Kreis (32a, 32b, 34a, 34b) in Reihenschaltung mit der Last (11) und der Quelle (12) zum Freigeben eines Stromflusses in der Last bei einem ersten Zustand an dem Eingang (14a) und zum Sperren des Stromflusses in der Last bei einem zweiten Zustand an dem Eingang (14a);

eine Detektoreinrichtung (22) zum Liefern eines ersten Signals bei jedem Nulldurchgang der Wechselstromsignalschwingung der Quelle (12);

eine überwachungseinrichtung (28) zum Erzeugen eines zweiten Signals, wenn ein überwachter Kennwert der Leistungsschalteinrichtung (14), der in Beziehung zu der Augenblicksgröße des durch diese fließenden Laststroms steht, einen Referenzwert übersteigt; und

eine Ansteuerschalteinrichtung (24) , die das erste und das zweite Signal empfängt und den ersten Zustand an dem Leistungsschalteinrichtungseingang (14a) im wesentlichen bei Empfang des ersten Signals und den zweiten Zustand an dem Leistungsschalteinrichtungseingang (14a) bei dem ersten Auftreten entweder a) des zweiten Signals oder b) des Ablaufs eines vorgewählten Zeitintervalls nach dem Auftreten

jedes ersten Signals und vor dem Auftreten des nächsten folgenden ersten Signals erzeugt.
10. Schaltkreis nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (3 0), die zwischen die Ansteuerschalteinrichtung (24) und den Leistungsschalteinrichtungseingang (14a) geschaltet ist, zum Modifizieren des zweiten Zustands an dem Leistungsschalteinrichtungseingang (14a) zum relativ allmählichen Verringern des durch die Leistungsschalteinrichtung (14) fließenden Stroms, wenn die Ansteuerschalteinrichtung (24) den zweiten Zustand erzeugt.
11. Schaltkreis nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschalteinrichtung (24) enthält: eine Betriebspotentialquelle (46) ; eine Zeitsteuerunterschaltung (52) mit einem ersten und einem zweiten Eingang (52c, 52g), welche das zugeordnete erste bzw. zweite Signal empfangen, mit einem Schwellenwerteingang (52f), mit einer Entladungsklemme (52e), die in einen Zustand hoher Impedanz versetzt wird, wenn der erste Eingang freigegeben ist, und in einen Zustand niedriger Impedanz, wenn der zweite oder der Schwellenwerteingang freigegeben ist, und mit einem Ausgang (24b¹, 52d), der auf einen ersten Wert gesetzt wird, wenn der erste Eingang (52c) freigegeben ist, und in einen zweiten, von dem ersten Wert verschiedenen Wert, wenn zum ersten Mal der zweite oder der Schwellenwerteingang freigegeben wird; eine Zeitsteuerschaltungseinrichtung (54, 56) , die zwischen die Betriebspotentialquelle (46), ein gemeinsames Schaltungspotential, den Schwellenwerteingang (52f) und die Entladungsklemme (52e) geschaltet ist, zum Anlegen einer Freigabespannung an den Schwellenwerteingang bei dem vorgewählten Zeitintervall nach dem Auftreten des Zustands hoher Impedanz an der Entladungsklemme (52e) und außerdem zum Anlegen einer Spannung an die Schwellenwertklemme mit einem Wert, der kleiner ist als die FreigabeSchwellenwert-

eingangsspannung, wenn die Entladungsklemme in den Zustand niedriger Impedanz versetzt ist; und eine Ansteuereinschalteinrichtung (26), die zwischen den Zeitsteuerunterschaltungsausgang (52d) und den Leistungsschalteinrichtungseingang (14a) geschaltet ist, zum Erzeugen des ersten Zustands an dem Leistungsschalteinrichtungseingang, wenn der Zeitsteuerunterschaltungsausgang auf dem ersten Wert ist.
12. Schaltkreis nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuereinschalteinrichtung (26) eine in einer Richtung leitende Vorrichtung (26a) enthält, die so gepolt ist, daß sie nur dann leitet, wenn der Zeitsteuerunterschaltungsausgang (52d) auf dem ersten Wert ist.
13. Schaltkreis nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuereinschalteinrichtung (26) eine Schalteinrichtung enthält, die einen steuernden Eingang hat, der mit dem ZeitsteuerunterSchaltungsausgang (52d) verbunden ist, zum Verbinden der Betriebspotentialquelle (46) mit dem Leistungsschalteinrichtungseingang (14a) nur dann, wenn der Zeitsteueruntersehaltungsausgang auf dem ersten Wert ist.
14. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsschalteinrichtung (14) zwei Leistungsschaltvorrichtungen (32a, 32b) enthält, die jeweils einen Eingang und einen gesteuert leitenden Kreis haben, in welchem ein in einer Richtung fließender Strom durch den Zustand eines Signals an dem Eingang gesteuert wird, wobei die gesteuert leitenden Kreise der beiden Leistungsschaltvorrichtungen (32a, 32b) für einen Stromfluß in entgegengesetzten Richtungen miteinander in Reihe und ausserdem zwischen die Quelle (12) und die Last (11) geschaltet sind, und wobei die Eingänge von beiden Leistungsschaltvorrichtungen (32a, 32b) zu dem Leistungsschalteinrichtungseingang (14a) parallel geschaltet sind; und zwei

in einer Richtung leitende Vorrichtungen (34a, 34b), die jeweils zu dem gesteuert leitenden Kreis der zugeordneten Leistungsschaltvorrichtung (32a, 32b) parallel geschaltet und so gepolt sind, daß sie nur in der entgegengesetzten Richtung des Stromflusses in bezug auf den in einer Richtung durch die zugeordnete Leistungsschaltvorrichtung fliessenden Strom leiten, wobei die gemeinsame Verbindung zwischen den gesteuert leitenden Kreisen von beiden Leistungsschaltvorrichtungen und von beiden in einer Richtung leitenden Vorrichtungen mit einem gemeinsamen Schaltungspotential verbunden ist.
15. Schaltkreis nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsschaltvorrichtungen (32a, 32b) Leistungsfeldeffekttransistoren sind.
16. Schaltkreis nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsschaltvorrichtungen (32a, 32b) Isolierschicht- oder IG-Transistoren sind.
17. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß jede in einer Richtung leitende Vorrichtung (34a, 34b) eine Diode ist, die parallel zu dem gesteuert leitenden Kreis der zugeordneten Leistungsschaltvorrichtung (32a, 32b) parasitär gebildet ist.
18. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (22), die Überwachungseinrichtung (28) und die Ansteuerschalteinrichtung (24) im wesentlichen in einer einzigen integrierten Schaltung enthalten sind.
19. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (22) eine NuIldurchgangsdetektorunterschaltung ist, die das erste Signal als ein Impulssignal auf jeden Nulldurchgang der Wechselstromquellensignalschwingung hin liefert.
20. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinrichtung (28) enthält: eine Einrichtung (28c-1, 28c-2) zum Überwachen des Kennwerts der Leistungsschalteinrichtung (14) ,um eine auf die Augenblicksgröße des durch die Leistungsschalteinrichtung fließenden Stroms bezogene Spannung zu erzeugen; eine Einrichtung (28b) zum Erzeugen einer Referenzspannung, deren Größe in Beziehung zu dem Referenzwert steht; und eine Einrichtung (60) zum Vergleichen der Überwachungsund der Referenzspannung, um ein zweites Signal zu erzeugen, wenn die überwachungsspannung die Referenzspannung übersteigt.
21. Schaltkreis nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die die Referenzspannung liefernde Einrichtung (28b) eine Einrichtung enthält zum Einstellen der Referenzspannungsgröße auf einen Wert, der größer ist als die Größe der überwachungsspannung, die für den gewünschten Stromfluß in der Last (11) erwartet wird.
22. Schaltkreis nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschalteinrichtung (24) eine Einrichtung (54) enthält zum Verändern des vorgewählten Zeitintervalls, um die Größe des Laststromflusses zu verändern, und daß die Referenzspannungsveränderungseinrichtung in Wirkverbindung mit der Zeitintervallveränderungseinrichtung steht, um die Referenzspannung auf einem Wert zu halten, der einer überwachungsspannungsgröße entspricht, wenn ein Strom fließt, der größer ist als der normale Laststromfluß, welcher durch die gegenwärtige Einstellung der Zeitintervallveränderungseinrichtung eingestellt ist.
23. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsspannungserzeugungseinrichtung einen ohmschen Spannungsteiler (62a, 62b) enthält, der Eingangsklemmen hat, die an den gesteuert leitenden Kreis

der Leistungsschalteinrichtung (14) angeschlossen sind, und eine Ausgangsverbindung, an der die Uberwachungsspannung abgegeben wird.
24. Schaltkreis nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung enthält: zwei Komparatoren (92, 94), die jeweils einen ersten Eingang haben, der die Referenzspannung empfängt, einen zweiten Eingang und einen Ausgang, dessen Zustand sich ändert, wenn die Spannung an dem zweiten Eingang die Referenzspannung an dem ersten Eingang übersteigt, wobei der zweite Eingang jedes Komparators mit einem anderen Ende des gesteuert leitenden Kreises der Leistungsschalteinrichtung (14) verbunden ist; und eine Einrichtung (99), die das Ausgangssignal von jedem der beiden Komparatoren empfängt, um das zweite Signal abzugeben, wenn sich der Zustand eines der Komparatoren ändert.