DE3618911A1

DE3618911A1 - Phasengeregelter automatischer schaltkreis

Info

Publication number: DE3618911A1
Application number: DE19863618911
Authority: DE
Inventors: Kasumi Suita Osaka Masaki
Original assignee: HAYASHIBARA KEN
Current assignee: HAYASHIBARA KEN
Priority date: 1985-06-05
Filing date: 1986-06-05
Publication date: 1986-12-11
Also published as: JPS61279915A; GB2178253A; GB2178253B; US4710698A; KR870000792A; BR8602627A; FR2583232A1; GB8613618D0; FR2583232B1

Description

Anmelder: Ken HAYASHIBARA, JAPAN

Phasengeregelter automatischer Schaltkreis

Die Erfindung betrifft einen phasengeregelten automatischen Schaltkreis. Insbesondere betrifft die Erfindung einen phasengeregelten automatischen Schaltkreis, bei dem die Wärmeentwicklung des geregelten Gleichrichters im wesentlichen unterbunden wird.

Beim Anschluß eines Elektormotors oder einen Glühlampe an eine Wechselstromquelle entsteht ein Stromstoß, der ein Vielfaches bis ein Zehnfaches größer ist als der Stromstoß der auftritt, wenn"der Elektromotor oder die Glühlampe stationär betrieben werden.

Der Erfinder offenbarte in dem Japanischen Patent Kokai Nr. 189,727/84, daß ein derartiger Stromstoß wirksam dadurch unterdrückt werden kann, daß man den Elektromotor oder die Glühlampe mit einer Wechselstromquelle über einen phasengeregelten automatischen Schaltkreis koppelt, wobei eine Wechselstrom-Wheatstone-Brücke, deren einer Arm einen veränderlichen Widerstand enthält, ein zeitkonstanter Schalt-

kreis und ein geregelter Gleichrichter derart angeordnet sind, daß die Phase eines Start-Trigger-Signals verzögert wird, um die Last an die Wechselstromquelle bei einem relativ kleinen Phasenwinkel anzukoppeln. Dies verlängert die Lebensdauer einer Glühlampe in extremer Weise.

Wenn man beispielsweise eine 100 Watt Glühlampe unter Benutzung eines solchen Schaltkreises mit einer 100 Volt Wechselstromquelle koppelt, hat dies jedoch den Nachteil, daß der geregelte Gleichrichter, der in Serie mit der Glühlampe geschaltet ist, verstärkt gekühlt werden muß zum Beispiel durch eine Kühleinrichtung oder ein Gebläse, damit der geregelte Verstärker nicht durch Hitze zerstört wird, die durch einen Leistungsverbrauch von bis zu 10 Watt entsteht.

Eine derartige zusätzliche Kühlung vergrößert die Dimension des Schaltkreises in unnötiger Weise durch den Einsatz eines Gebläses, was wiederum zusätzliche Maßnahmen erfordert, um das Geräusch des Gebläses zu dämpfen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen phasengeregelten Schaltkreis bereitzustellen, der während des Betriebes kaum Wärme erzeugt.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung einen phasengesteuerten Schaltkreis bereitzustellen, der ohne Betriebsgeräusch arbeitet und eine hohe Funktionssicherheit und Langlebigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen Schaltkreis gelöst, der einen geregelten Gleichrichter enthält; weiterhin einen Verstärker, der mit seinem Ausgang am Steuereingang des geregelten Gleichrichters anliegt; eine Wechselstrom-Wheatstone-Brücke, deren einer Arm einen variablen Widerstand

aufweist, wobei die Wechselstrom-Wheatstone-Brücke mit einem Zweig mit dem Eingang des Verstärkers gekoppelt ist und deren anderer Zweig zwischen der Kathode und der Anode des geregelten Gleichrichters über eine Last anliegt; einen zeitkonstanten Schaltkreis, der mit dem variablen Widerstand verbunden ist; ein Paar mechanische Kontakte, die mit parallel mit dem geregelten Gleichrichter geschaltet sind; und eine Gleichstromquelle um den ganzen Schaltkreis zu betreiben.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

·-? Fig. 1 eine Ausführungsform des phasengeregelten automatischen Schaltkreises gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Stromversorgungs-Schaltkreis zum Betrieb der mechanischen Kontakte,

Fig. 3 den Verlauf der Spannung an der Sekundärspule des Ausgangstransformators,

Fig. 4 den Schwingungsverlauf der Wechselstromquelle,

Fig. 5 den Schwingungsverlauf der Überlagerung des Triggersignales mit einer Wechselstromquelle und

Fig. 6 und 7 Ausführungsformen gemäß der Erfindung.

In den Zeichnungen sind die Symbole wie folgt bezeichnet: C Kapazität; R Widerstand; H Übertrager; L Spule; Q Optoelek tronischer Koppler; AC Wechselstromquelle; Z Last; S Schalter; K Zweirichtungs-Triodenjthyr istor; D Diode; VR veränderlicher Widerstand; T Transistor; G Relais; und SCR in Umkehr richtung blockierender Trioden-Thyristor (Einwege-Trioden-

Λ-

Thyristor).

Der Schaltkreis gemäß Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines phasengesteuerten automatischen Schaltkreises gemäß der Erfindung, bei dem die Wechselstrom-Wheatstone-Brücke sich zusammensetzt aus den Widerständen R und R , den Kapazitäten C₁ und C und dem variablen Widerstand VR sowie der CdS Photoleiterzelle und bei dem die Wechselstromquelle AC zwischen den Anschlüssen B und F über einen Stromschalter S anschließbar ist. Die Spannung der Wechselstromquelle AC wird über einen Übertrager H_ herabtrahsformiert, gleichrichtetet und dem zeitkonstanten Schaltkreis aus dem Widerstand R_K und der Kapazität C₃ zum Laden der Kapazität C₃ zugeführt. Der variable Widerstand VR ist mit dem zeitkonstanten Schalterkreis über den Optokoppler Q gekoppelt.

In diesem Schaltkreis wird die Wechselstrom-Wheatstone-Brücke über die Anschlüsse B und F mit Wechselspannung beaufschlagt, wenn die Last Z durch Schließen des Schalters S an die Wechselstromquelle AC gelegt wird. Die ungeglättete Spannung, die zwischen den Anschlüssen A und E liegt, beaufschlagt die Basis des Transistors T über den Widerstand R₄. Da in diesem Fall der variable Widerstand VR nicht hoch ist, wird die Basis des Transistors mit einer Wechselspannung beaufschlagt, die die gleiche Phase hat,, wie am Anschluß B. Damit wird die Sekundärspule L„ mit einer

Spannung V am Ausgang des Transformators H₀ beaufschlagt max * <i.

wie sie in Fig. 3 mit unterbrochener Linie dargestellt ist, wobei ein kleiner Strom durch den Zweirichtung-Triodenthyristor K fließt, weil die Spannung V sich in umgekehr-

ma χ

ter Phase zur Wechselstromquelle befindet.

Nach einer vorgegebenen Zeit, die von dem zeitkonstanten

Schaltkreis abhängt, wird nach Schließen des Schalters S die Leuchtdiode im Optokoppler Q aktiviert, worauf sie Licht aussendet und dadurch den variablen Widerstand VR herabsetzt. Damit wird die Spannung V . an der Sekundärspule des Ausgangstransformators H. phasengleich zur Wechselstromquelle V ~ und der Zwei;

AO

K erhält einen Arbeitsstrom.

stromquelle V ~ und der Zweirichtungs-Triodenthyristor AO

Wie in Fig. 5 mit unterbrochener Linie dargestellt, wird durch Serienschaltung der Sekundärspule L_ des Ausgangstransformators H. mit der Sekuncärspule L_? des Ausgangstransformators H„ entsprechend Fig. 1 die Ausgangsspannung des Transformators T der Spannung V_A~ überlagert. Wenn

"" AO

man annimmt, daß der variable v.iderstand VR sich in einem Bereich von beispielsweise 1 Kiloohm bis 100 Kiloohm verändert, wird die Ausgangsspannunc, die an der Sekundärspule L_ des Ausgangstransformators H_ anliegt, unmittelbar nach

w C-

Schließen des Schalters S entsprechend der in Fig. 3 dargestellten durchbrochenen Linie in bezug auf die Spannung V._r gemäß Fig. 4 um 90 phasenverschoben. Da die Wechselspannung an der Sekundärspule L. des Transformators H über Dioden gleichgerichtet und durch die Kapazität C und den Widerstand R geglättet wird, wobei sie dann zusätzlich über den Widerstand R₁. die Kapazität C₃ auflädt, und zwar in einer durch den zeitkonstanten Schaltkreis bestimmten Zeit, kann die Leuchtdiode so programmiert werden, daß sie Licht aussendet und oaß dann der variable Widerstand VR nach einem Zeitabschnitt von 1/10 oder 1/2 s nach Schließen des Schalters S abgeschaltet wird, und zwar dadurch, daß man die Zeitkonstante auf 1/10 bis 1/2 s festsetzt. Auf diese Weise wird die Ausgangsspannung V . an der Sekundärspule des Ausgangstransformators phasengleich zur Wechselstromquelle, wobei als Folge davon die überlagerte Spannung'gemäß Fig. 5 durchgezogene Linie, zunimmt.

Damit liegt gemäß Fig. 5 durchgezogene Linie, die überlagerte Spannung V . + V._ an den Anschlüssen X und Y der Fig. mm AC

1 an, wird durch die Diode D gleichgerichtet und lädt die Kapazität C_K auf. Die Aktivierung der Spannungen der Kapazität C₁- über das Relais G schließt die Kontakte V und W, womit dann der Zweirichtungs-Triodenthyristor K überbrückt wird.

Wie bereits beschrieben, entwickeln der im Hauptschaltkreis enthaltene geregelte Gleichrichter und der Zweirichtungs-Triodenthyristor kaum Wärme, da der geregelte Gleichrichter nur kurz, abhängig von den Zeitkonstanten des Schaltkreises, leitet. Dies entbindet von der Notwendigkeit zur verstärkten Kühlung über Radiatoren oder Gebläse, wodurch die Baugröße und die Lebensdauer des Schaltkreises erhöht werden kann. Da außerdem an den mechanischen Kontakten V und W niemals ein Lichtbogen beim Schalten entsteht, wird deren Lebensdauer ähnlich lang, da sie nur eine Anoden-Kathodenspannung von ungefähr 1 Volt schaltet.

Wenn die überlagerte Spannung nicht ausreicht, um mechanische Kontakte wie z.B. ein Relais zu betätigen, kann die Spannung auf ein vorgegebenes Niveau über einen Transistor verstärkt oder in Kombination mit einem passenden Schaltkreis z.B. einem Einwege-Triodenthyristor betrieben werden. Zum Beispiel wird die überlagerte Spannung zuerst an den Anschlüssen X und Y gemäß Fig. 2 angelegt, über die Diode D„ gleichgerichtet und dann zum Laden der Kapazität C„ zügeführt. Danach wird mit dieser an der Kapazität anliegenden Spannung über den Widerstand R₇ der Steuereingang des in Umkehrrichtung blockierenden Trioden-Thyristors SCR beaufschlagt. Im leitenden Zustand des in Umkehrrichtung blockierenden Trioden-Thyristors SCR fließt Strom von der Wechselstromquelle AC zum Relais G, was zum Schließen der

- 7

Kontakte V und W führt und damit wiederum zum Überbrücken des Zweiwege-Triodenthyristors K.

In der Ausführungsform gemäß Fici. 6 ist zusätzlich zum Schalter S„ mit einer relativ großen Schaltkapazität im Hauptschaltkreis ein Schalter S. im Versorgungskreis für den zeitkonstanten Schaltkreis angeordnet, mit einer relativ geringen Schaltkapazität. Die Gefahren, die beim Schalten von hohen Strömen auftreten, können mit dieser Anordnung vermieden werden, da der Hauptschaltkreis bei geschlossenem Schalter S„ nur über den Schalter S₁ geschaltet werden kann.

Der Schaltkreis gemäß Fig. 7 ist eine Ausführungsform, bei der die Widerstände in den zwei Armen der Wheatstone-Brücke ersetzt sind durch mittig abgreifbare Sekundärspulen L. und Lj. des Transformators H_?, so daß sowohl die elektrische Versorgung der Wechselstrorn-Wheatstone-Brücke als auch die Spannungsteilung an der Wechselstroquelle über die Sekundärspulen eines Stromversorgungstransformators erfolgt. Diese Ausführungsform hat folgende Vorteile: Die Anzahl der Widerstände im Schaltkreis wird reduziert; der Schaltkreis selbst wird versorgt; des weiteren erhöht es noch zusätzlich die Lebensdauer des Schaltkreises.

Wie bereits beschrieben, erzeugen bei dem phasengeregelten automatischen Schaltkreis gemäß der Erfindung der geregelte Gleichrichter wie auch der Zweiwege-Triodenthyristor im Hauptschaltkreis kaum Wärme, da der geregelte Gleichrichter kurzleitend ist, und zwar vom Zeitpunkt des Schließens des Stromschalters bis zum stationären Betrieb des Hauptschaltkreises. Im Falle eines Haushaltdimmers mit relativ niederen Schaltströmen macht die Erfindung den Gebrauch von einem Gebläse und sogar von Kühlung überflüssig. Mit

der Erfindung ist es also möglich, einen Schaltkreis gemäß dem japanischen Patent Kokai Nr. 189,727/84 zu miniaturisieren, bei gleichzeitiger Erhöhung der Lebensdauer und geräuschfreiem Betrieb.

Weiterhin verhindert die Anwendung des erfindungsgemäßen Schaltkreises in einem Dimmer für eine Glühlampe oder in Start- oder Geschwindigkeitsregelschaltkreis für Elektromotoren wirksam die Entstehung von Stromstößen in derartigen Schaltkreisen. Insbesondere bei Dimmern verlängert die Anwendung des erfindungsgemäßen Schaltkreises in extre mer Weise die Lebensdauer der Wendel einer Glühlampe und vermindert außerdem den durch den geregelten Gleichrichter durch Wärmeentwicklung verursachten Verbrauch von elektrischer Energie.

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Bezugszeichenliste

C Kapazität

R Widerstand

H Übertrager

L Spule

Q Optokoppler

AC Wechselstromquelle

Z Last

S Schalter

K Zweirichtungs-Triodenthyristor

D Diode

VR veränderlicher Widerstand

T Transistor

G Relais

SCR in Umkehrrichtung blockierender Triodenthyristor (Einwege-Triodenthyristor)

CdS Photoleiterzelle A, B, E, F, X, Y, Anschlüsse, Abgreifpunkte

^Vmin' ^VAC Spannungen V, W Kontakte

Claims

Patentansprüche

1. Phasengesteuerter Schaltkreis gekennzeichnet diarch

(a) einen geregelten Gleichrichter,

(b) einen Verstärker, der mit seinem Ausgang am Steuereingang (gate) des geregelten Gleichrichters anliegt,

(c) eine Wechselstrom-Wheatstone-Brücke, die in einem Zweig einen variablen Widerstand enthält, wobei die Wechselstrom-Wheatstone-Brücke mit einem Zweig mit dem Eingang des Verstärkers gekoppelt ist und mit ihrem anderen Zwei zwischen der Kathode und der Anode eines geregelten Gleichrichters über eine Last anliegt,

(d) einen zeitkonstanten Schaltkreis, der mit dem veränderlichen Widerstand verbunden ist,

(e) ein Paar mechanische Kontakte, die parallel zu dem geregelten Gleichrichter geschaltet sind und

(f) eine Wechselstromquelle zur Versorgung des gesamten Schaltkreises.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der variable Widerstand als Thermistor ausgebildet ist.

3. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der variable Widerstand als CdS-Photoleiterzelle ausgebildet ist.

4. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der zeitkonstante Schaltkreis einen RC-zeitkonstanten Schaltkreis darstellt.

5. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der geregelte Gleichrichter ein Zweirichtungs-Triodenthyristor ist.

6. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der mechanische Kontakt ein Relais ist.

7. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Arme der Wechselstrom-Wheatstone-Brücke Induktivitäten aufweisen..

8. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Verstärker als geerdeter Emitterverstärker ausgebildet ist.

9. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der variable Widerstand mit dem zeitkonstanten Schaltkreis über einen Optokoppler verbunden