DE3541771A1 - Phasenanschnittsteuerung zum betrieb eines ohmschen verbrauchers an netzwechselspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Phasenanschnitt­ steuerung zum Betrieb eines ohmschen Verbrauchers an Netzwechselspannung, bestehend aus einem mit dem ohmschen Verbraucher in Reihe geschalteten Triac, einem zum Triac parallelliegenden RC-Glied mit einem Kondensator und einem Widerstandsblock, wobei der Widerstandsblock aus mindestens zwei in Reihe liegenden Widerständen gebildet wird, und einem Diac, der zum einen an den Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator und dem Widerstandsblock, zum andern an das Gitter des Triacs angeschlossen ist.

Es ist allgemein bekannt, ohmsche Verbraucher mit Hilfe von Phasenanschnittsteuerungen zu regeln, da hierbei nur die wirklich benötigte Leistung dem Netz entnommen zu werden braucht, die überschüssige Leistung also nicht als Verlustwärme in einem Vor­ widerstand vernichtet wird (H. Böger, F. Kähler, G. Weigt: Bauelemente der Elektronik und ihre Grundschaltungen, Verlag H. Stamm, Köln, Band 1, 4. Auflage, S. 391/392, 1979). Diese Schaltungsan­ ordnung wird insbesondere häufig bei elektrisch be­ triebenen Heizungsanlagen, Kollektormotoren und Glüh­ lampen angewendet. Ein Nachteil der bekannten Schal­ tungsanordnungen ist jedoch, daß die unvermeidlichen Schwankungen der Netzspannung überproportional große Schwankungen der effektiven, am ohmschen Verbraucher anliegenden Ausgangsspannung zur Folge haben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, bei Betriebsschaltungen, die eine Phasenanschnittsteu­ erung verwenden, die effektive, am ohmschen Ver­ braucher anliegende Ausgangsspannung trotz der unver­ meidlichen Schwankungen der Netzspannung konstant zu halten.

Diese Aufgabe wird bei einer Phasenanschnittsteue­ rung mit den im Hauptanspruch genannten Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem aus dem Kondensator und dem ihm benachbarten Widerstand des RC-Gliedes gebildeten Zeitglied ein Kompensationsglied parallelgeschaltet ist, das ein im Vergleich zum Kondensator des Zeitgliedes entgegengesetztes Spannungsverhalten aufweist, wobei das Kompensations­ glied über einen dazu in Reihe liegenden Schaltkreis zur Impedanzfestlegung direkt an die Netzwechsel­ spannung angeschlossen ist. Diese Schaltung zeichnet sich durch eine geringe Verlustwärme aus. Die Schwankungen des Zündzeitpunktes werden durch eine relativ unkomplizierte, kostengünstige und platzsparende Maßnahme sehr genau korrigiert.

Ein verhältnismäßig einfaches Bauteil, das sich durch ein dem Kondensator des Zeitglieds entgegengesetztes, also negatives Spannungsverhalten auszeichnet, ist der Diac. Für ein zuverlässiges Funktionieren des Kompensationsgliedes ist es dabei erforderlich, zwei Diacs in Reihe zu schalten, wodurch sichergestellt ist, daß die am Kondensator des Zeitgliedes aufgebaute Spannung die Durchbruchspannung des zum Triggern des Triacs eingesetzten Diacs erreicht.

Vorteilhaft besteht der Schaltkreis zur Impedanz­ festlegung aus der Reihenschaltung eines Vorwider­ stands und zweier gegensinnig zueinander gepolter Zenerdioden, da mit einem Vorwiderstand allein die erforderliche niederohmige Impedanz nicht realisierbar ist.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist ins­ besondere für Glühlampen geeignet, wo eine konstante effektive Ausgangsspannung dann angestrebt wird, wenn eine konstante Lichtstärke und eine konstante Farbtemperatur von Interesse sind. Derartige Eigen­ schaften sind vor allem für Beleuchtungsanlagen in der Filmindustrie erwünscht. Die Bauelemente der erfin­ dungsgemäßen Schaltung ermöglichen insbesondere den Einsatz bei der Regelung von Glühlampen, die ursprünglich für Spannungen kleiner als die zur Ver­ fügung stehende Netzspannung mit üblicher Toleranzbreite ± 10% ausgelegt sind.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Prinzip einer konventionellen Phasenan­ schnittsteuerung

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung mit einer Phasenan­ schnittsteuerung, die ein Kompensationsglied aufweist

In Fig. 1 ist eine konventionelle Phasenanschnitt­ steuerung dargestellt, für das Funktionsprinzip un­ wesentliche Schaltungsteile, wie Entstörfilter oder Überspannungsschutzfilter, sind weggelassen. Einem ohmschen Verbraucher Ro ist dabei ein Triac Tr in Reihe geschaltet, dessen Zündzeitpunkt durch ein parallel zu ihm liegendes RC-Glied und dessen Durchschaltverhalten durch ein Triggerdiac DT zusammen mit dem Kondensator des RC-Gliedes bestimmt ist.

Der Kondensator C wird über den Widerstandsblock R, gebildet aus den beiden in Reihe liegenden Wider­ ständen R 1 (regelbar) und R 2, in jeder Halbwelle der anliegenden Netzwechselspannung mit der Zeitkonstan­ ten RC geladen. Erreicht die Ladespannung dabei die Kippspannung des Diacs DT, so schaltet der Diac DT schlagartig durch. Infolgedessen fließt ein Steuerstrom auf das Gate des Triacs Tr, worauf auch der Triac Tr durchschaltet, so daß bis zum Ende der Halbwelle Spannung am ohmschen Verbraucher Ro, hier eine Glühlampe, anliegt. Im Ausführungsbeispiel wurde eine 120 V/300 W-Halogenglühlampe, wie sie in Projektoren eingesetzt wird, an 220 V betrieben. Die naheliegende Lösung, zwei derartige Halogenglühlampen in Reihe zu schalten, führt wegen der hohen Belastung einer der Wendeln beim Einschalten zum baldigen Aus­ fall einer der Lampen. Beim Betrieb an 220 V Netz­ spannung mit einer konventionellen Phasenanschnitt­ steuerung gemäß Fig. 1 zeigt sich, daß bei den zulässigen Netzspannungsschwankungen von ± 10% eine Schwankung des Lichtstroms von mehr als 50% (vgl. Tab. 1) auftritt.

Tab. 1: Betrieb einer 120 V/300 W-Halogenglühlampe an 220 V Netzspannung mit einer Phasenanschnittsteuerung ohne Kompensationsglied (UN = Netzspannung, PL = Leistung)

Dieses überproportionale Verhalten erklärt sich dadurch, daß bei Amplitudenschwankungen der Netz­ spannung sich nicht nur die Amplitude der Ausgangs­ spannung entsprechend ändert, sondern - bedingt durch den sich hierbei ebenfalls verändernden Strom im RC-Glied - auch der Schaltwinkel des Triacs Tr. Je größer der Schaltwinkel ist, desto mehr ändert sich die effektive Ausgangsspannung relativ zur Netzspan­ nungsänderung. Eine konstante Lichtstärke erfordert eine konstante effektive Ausgangsspannung. Sie ließe sich unter der Voraussetzung einer konstanten Ampli­ tude der Netzspannung dann erhalten, wenn es gelänge, den Schaltwinkel durch ständige Kompensation der Abweichungen konstant zu haIten. Im Betrieb sind jedoch Amplitudenschwankungen der Netzspannung unver­ meidIich. Dieses Problem kann mit einer einfachen, jedoch außerordentIich wirksamen Maßnahme gelöst werden, indem die Abweichungen des Schaltwinkels nicht nur kompensiert, sondern in entsprechendem Maße überkompensiert werden.

Eine Schaltungsanordnung, die dieses Ziel erreicht, ist in Fig. 2 angegeben. Das RC-Glied setzt sich zusammen aus dem Kondensator C und dem Wider­ standsblock R, gebildet aus den Widerständen R 1 (be­ stehend aus zwei Teilwiderständen, von denen einer regelbar ist) und R 2. Der Diac DT triggert den Triac Tr nach dem gleichen Prinzip wie in Fig. 1 bereits beschrieben.

Der Widerstand R 3 dient lediglich zur Begrenzung des Zündstroms. Die Stabilisierung der effektiven Ausgangsspannung erfolgt über ein Kompensationsglied K, das aus zwei Diacs D 1, D 2 besteht, die über R 1 dem Kondensator C parallelgeschaltet sind. Diese einfache Schaltungsanordnung läßt sich sehr kompakt ausführen und kann daher direkt in die Leuchte integriert werden.

Die Wirkung des Kompensationsglieds beruht auf dem bekannten negativen Spannungsverhalten eines Diacs, verglichen mit dem als positives Spannungsverhalten charakterisierbaren Aufladevorgang des Zeit­ glieds R 1C. Zur Kompensation der Netzspannungsän­ derungen ist eine definierte Stromänderung über D 1, D 2 erforderlich. Die hieraus bestimmte Regelkreis­ impedanz wird durch die Reihenschaltung des Kompen­ sationsglieds K mit einem Schaltkreis Z realisiert, der aus einem der Impedanz entsprechenden Vorwider­ stand R 4 und zwei gegensinnig gepolten Zenerdioden Z 1, Z 2 besteht. Die Größe der Zenerspannung wird dabei durch die Forderung bestimmt, daß bei der Netznenn­ spannung und der Nennausgangsleistung über K und Z der nötige Strom für die Mitte des Regelbereiches fließen soll.

Tab. 2: Betrieb einer 120 V/300 W-Halogenglühlampe an 220 V Netzspannung mit einer Phasenanschnittsteuerung mit Kompensationsglied (UN = Netzspannung, PL = Leistung)

Mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ergibt sich eine ausgezeichnete Stabilisierung des Lichtstroms der 120 V/300 W-Halogenglühlampe, wie Tab. 2 verdeutlicht. Hierbei wurden für die Phasenanschnitt­ steuerung die in der Tabelle 3 aufgeführten Bauteile verwendet. Bei einer Schwankung der Netzspannung von ± 10% liegt die Schwankung des Lichtstroms jetzt deutlich unter 1%.

Tabelle 3: Bestückung einer Phasenanschnittsteuerung mit Kompensationsglied zum Betrieb einer 120 V/ 300 W-Halogenglühlampe (Ro) an 220 V Netzspannung.

Claims (5)

1. Phasenanschnittsteuerung zum Betrieb eines ohmschen Verbrauchers an Netzwechselspannung bestehend aus einem mit dem ohmschen Verbraucher (Ro) in Reihe geschalteten Triac (Tr), einem zum Triac (Tr) parallelliegenden RC-Glied mit einem Kondensator (C) und einem Widerstandsblock (R) - gebildet aus mindestens zwei in Serie liegenden Widerständen (R 1, R 2) - und einem Diac (DT), der zum einen an den Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator (C) und dem Widerstandsblock (R), zum andern an das Gitter des Triacs (Tr) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem aus dem Kondensator (C) und dem ihm benachbarten Widerstand (R 1) gebildeten Zeitglied ein Kompensationsglied (K) parallelgeschaltet ist, das ein im Vergleich zum Kondensator (C) des Zeitgliedes entgegengesetztes Spannungsverhalten aufweist, wobei das Kompensationsglied (K) über einen dazu in Reihe liegenden Schaltkreis (Z) zur Impedanzfestlegung direkt an der Netzwechselspannung anliegt.

2. Phasenanschnittsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationsglied (K) aus mindestens zwei in Reihe geschalteten Diacs (D 1, D 2) besteht.

3. Phasenanschnittsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis (Z) zur Impedanz­ festlegung aus der Reihenschaltung eines Vorwider­ stands (R 4) und zweier Zenerdioden (Z 1, Z 2) besteht, wobei die Zenerdioden (Z 1, Z 2) gegensinnig zueinander gepolt sind.

4. Phasenanschnittsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Verbraucher (Ro) eine Glühlampe ist.

5. Phasenanschnittsteuerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühlampe ursprünglich für den Betrieb mit einer Spannung ausgelegt ist, die kleiner als die zur Verfügung stehende Netzspannung ist.