DE4026350A1 - Phasenanschnitt-steuerschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Phasenanschnitt-Steuer­ schaltung für Niederspannungsverbraucher mit einem mit Wechsel Spannung beaufschlagten RC-Phasenschieber, mit einer steuerbaren Halbleiterschalteinrichtung, mit einer zwischen dem Phasenschieber und der Halbleiter­ schalteinrichtung liegenden Zündeinrichtung für die Halb­ leiterschalteinrichtung und mit einem Transformator, dessen eine Wicklung Serie zu der Halbleiter­ schalteinrichtung in einem durch die Halbleiter­ schalteinrichtung schaltbaren Stromkreis liegt.

Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer Vollweg- Phasenanschnitt-Steuerschaltung für Niederspannungs- Wechselstromverbraucher, insbesondere Halogenlampen.

Eine früher vorgeschlagene Phasen-Anschnitt-Steuer­ schaltung dieser Gattung ist so aufgebaut, daß der RC-Phasenschieber direkt an der Netzwechselspannung liegt. Mit dem Ausgang bzw. Abgriff des Phasenschiebers ist dabei die eine Elektrode eines als Zündeinrichtung dienenden Diacs verbunden, dessen andere Elektrode mit der Steuer­ elektrode eines als Halbleiterschalteinrichtung dienenden Triacs verbunden ist. Dieser Triac liegt in Serie mit der Primärwicklung eines Transformators an der Netzwechsel­ spannung. Die Sekundärwicklung des Transformators liegt in Serie zu dem Wechselstromverbraucher, insbesondere einer Halogenlampe, im Laststromkreis.

Es ist ein Nachteil der bekannten Steuerschaltung, daß der Diac erst bei einer relativ hohen Spannung von beispiels­ weise etwa 30 bis 40 V einen Zündimpuls für den Triac liefert. Außerdem müssen sämtliche Komponenten der Steuer­ schaltung für die relativ hohe Netz-Wechselspannung von typischerweise 220 V ausgelegt sein, was die Schaltung verteuert, insbesondere wenn der Diac durch eine andere, beispielsweise unter Verwendung von Transistoren aufge­ baute Zündeinrichtung ersetzt werden soll.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen, die Netz-Wechsel­ spannung zuerst herunterzutransformieren und die niedri­ gere Wechselspannung von beispielsweise etwa 12 V zu glätten und als Speisespannung für eine Zündschaltung zu verwenden, deren Ansteuerung in Abhängigkeit von der Phasenlage der Wechselspannung über einen geeigneten Phasenschieber erfolgte. Die Erzeugung einer zumindest einigermaßen geglätteten Gleichspannung zur Versorgung der Zündschaltung bedeutet dabei einen hohen Aufwand.

Ausgehend vom Stand der Technik bzw. von den früheren Vor­ schlägen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße phasenanschnitt-Steuerschaltung dahingehend zu verbessern, daß mit sehr geringem Schaltungsaufwand und billigen Bauelementen eine Phasenwinkelsteuerung zwischen nahezu 0 und 180^o erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Steuerschal­ tung gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die in Serie zu der Halbleiterschalteinrichtung liegende Transformator­ wicklung die im Laststromkreis des Verbrauchers liegende Sekundärwicklung eines primärseitig an die Netzwechsel­ spannung angeschlossenen Transformators ist und daß die Zündeinrichtung als mit der sekundärseitigen Wechselspan­ nung gespeister, transistorisierter Nulldurchgangsdetektor für das Ausgangssignal des Phasenschiebers ausgebildet ist, der ebenfalls an der sekundärseitigen Wechselspannung liegt.

Es ist ein besonderer Vorteil der Steuerschaltung gemäß der Erfindung, daß für den Phasenschieber und die Zündein­ richtungen einerseits keine eigene Gleichspannungs­ versorgung mit Siebung benötigt wird und andererseits das Schalten des Laststroms bereits bei einem sehr kleinen Phasenwinkel erfolgen kann.

Ein weiterer wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Steuerschaltung besteht ferner darin, daß wegen der gegenüber der Netzwechselspannung reduzierten, sekundär­ seitigen Wechselspannung für den Phasenschieber und die Zündeinrichtungen bzw. den Nulldurchgangsdetektor sowie auch für die Halbleiterschalteinrichtung selbst Bauele­ mente eingesetzt werden können, die nur für eine niedrige Nennspannung ausgelegt sind und damit, insbesondere was die erforderlichen Halbleiter anbelangt, wesentlich preis­ werter sind als für eine hohe Nennspannung ausgelegte Schaltelemente.

Außerdem ergeben sich durch die Phasenanschnittssteuerung auf der Sekundärseite des Transformators die nachstehend erläuterten, weiteren Vorteile.

Beim Netzbetrieb an einer Wechselspannung von 220 V gemäß dem eingangs erläuterten, früheren Vorschlag führen die Einschaltflanken des Triacs bzw. des Thyristors zu Steuer­ impulsen bzw. Oberwellen, die mittels geeigneter Filter­ einrichtungen vom Netzanschluß ferngehalten werden müssen. Weiterhin müssen der Triac bzw. die Thyristoren durch eine RC-Beschaltung bzw. durch eine Reihenschaltung einer Induktivität (Drossel) vor zu hohen Strom- bzw. Spannungs­ anstiegsgeschwindigkeiten geschützt werden. Wenn die Phasenanschnittsteuerung dagegen gemäß der Erfindung auf der Sekundärseite eines Netztransformators erfolgt, sind entsprechende Filter- und/oder Schutzeinrichtungen dagegen entbehrlich, was insgesamt zu einer Vereinfachung der erfindungsgemäßen Schaltung führt.

Bei Phasenanschnitt-Steuerschaltungen mit Steuerung des Phasenanschnitts auf der Primärseite des Transformators gemäß dem früheren Vorschlag ergeben sich außerdem weitere Probleme, von denen hier nur die zwei wichtigsten ange­ sprochen werden sollen:
1. Ein unbelasteter Transformator wirkt in erster Näherung als Induktivität. Dies hat beispielsweise beim Ausfall einer Halogenlampe - Unterbrechung des Laststromkreises - eine erhebliche Phasenverschiebung zur Folge, so daß nur ein Halbwellenstrom fließt (Gleichrichtereffekt). Hierdurch kommt es für eine Halbwelle durch Unterschreiten des Haltestroms des Triacs bzw. des betreffenden Thyristors zu Zündaus­ setzern. Außerdem wird der Transformator häufig durch Überhitzung der Wicklung infolge des Fließens eines Gleichstroms zerstört.
2. Bei primärseitiger Steuerung des Phasenanschnitts wird bei der Speisung einer Halogenlampe mit einer Leistung von weniger als 40 W der Haltestrom des Triacs bei einer Halbwelle nicht erreicht. Auch hierdurch ergibt sich wieder ein Gleichrichtereffekt, der eine Zer­ störung des Transformators zur Folge haben kann.

Schließlich bietet die erfindungsgemäße Phasenanschnitt­ steuerung auf der Sekundärseite des Transformators den Vorteil, daß ggf. handelsübliche, integrierte Schaltungen zur Phasenanschnittsteuerung eingesetzt werden können.

Bei der Realisierung der erfindungsgemäßen Steuerschaltung in Form einer Vollweg-Phasenanschnitt-Steuerschaltung für Niederspannungs-Wechselstromverbraucher, hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Halbleiterschalteinrichtung durch einen Triac gebildet ist, dessen Steuerelektrode mit dem Ausgang des Nulldurchgangsdetektors verbunden ist, da in diesem Fall die einzige Steuerelektrode der Halbleiter­ schalteinrichtung direkt mit dem Ausgang des Nulldurch­ gangsdetektors verbunden werden kann, wobei der Nulldurch­ gangsdetektor als Detektor für Nulldurchgänge von Plus nach Minus und von Minus nach Plus ausgebildet ist.

Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung besteht aber auch die Möglichkeit, daß die Halbleiterschalteinrichtung durch zwei antiparallel geschaltete Thyristoren gebildet ist, deren Steuerelektroden über Entkoppelungsdioden mit dem Ausgang der Schwellwertschaltung verbunden sind.

Wenn die erfindungsgemaße Vollweg-Phasenanschnitt-Steuerschaltung der Speisung von Halogenlampen dient, hat es sich ferner als vorteilhaft erwiesen, wenn der Phasen­ schieber einen Widerstand aufweist, der im Betrieb dafür sorgt, daß für die mindestens eine angeschlossene Halogen­ lampe ein Strom fließt, dessen Mittelwert ausreichend hoch ist, um die Lampenwände soweit zu erhitzen, daß die beson­ deren chemisch/physikalischen Vorgänge, die für die Funk­ tion von Halogenlampen entscheidend sind, auch wirklich ablaufen können.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung besteht auch die Möglichkeit, als Element des Phasenschiebers einen Photowiderstand vorzusehen, der speziell bei Verwendung der Steuerschaltung zur Speisung einer Halogenlampe in Abhängigkeit vom Umgebungslicht als Dämmerungsschalter das automatische Einschalten der Lampe bewirken kann.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung besteht ferner die Möglichkeit, einen der Widerstände des Phasenschiebers als steuerbaren Halbleiterschalter, beispielsweise in Form eines sog. Junction-FET oder Sperrschicht-Feldeffekttransistors auszubilden, dessen Steuerelektrode in diesem Fall ggf. über eine Fern­ steuerung angesteuert werden kann.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig.

1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vollweg-Phasenanschnitt-Steuerschaltung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein Schaltbild einer bevorzugten, in der Praxis realisierten Steuerschaltung des in Fig. 1 gezeigten Typs; und

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der Spannung bzw. des Stroms an verschiedenen Punkten der Schaltung gemäß Fig. 2.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine Wechselspannungsquelle 10, bei der es sich typischerweise um einen Netzanschluß handelt, an dem eine Spannung von 220 V bei 50 Hz zur Verfügung steht. Die Wechselspannungsquelle 10 ist mit der Primärwicklung 12a eines Transformators 12 verbunden. Der Transformator dient dazu, die Wechselspannung aus der Spannungsquelle 10 herunterzutransformieren und liefert bei Netzspannung auf seiner Primärseite über seiner Sekundärwicklung 12b beispielsweise eine Wechselspannung von 12 V. Diese Spannung liegt an einem Phasenschieber 14, mit dessen Hilfe in üblicher Weise aus der an ihm anlie­ genden Wechselspannung eine phasenverschobene Wechselspan­ nung erzeugt wird. Die Phasenlage des Ausgangssignals des Phasenschiebers 14 wird dabei üblicherweise mit Hilfe eines den Widerstand eines RC-Gliedes bildenden Potentio­ meters eingestellt. Das gegenüber der sekundärseitigen Wechselspannung phasenverschobene Ausgangssignal des Phasenschiebers 14 wird dem Eingang einer Zündeinrichtung zugeführt, die gemäß der Erfindung als Nulldurchgangs­ detektor 16 ausgebildet ist. Dabei erfolgt die Speisung dieses Nulldurchgangsdetektors mit der sekundärseitigen Wechselspannung, die, wie erwähnt, beispielsweise einen Wert von 12 V haben kann. Bei einem Nulldurchgang - in positiver oder negativer Richtung des phasenverschobenen Ausgangssignals des Phasenschiebers 14 - liefert der Nulldurchgangsdetektor 16 einen Strom an die Steuerelek­ trode eines Triacs 18 oder einer entsprechenden steuer­ baren Halbleiterschalteinrichtung. Der Triac 18 liegt an der heruntertransformierten sekundärseitigen Wechselspan­ nung und wird durch einen Ausgangsstrom des Nulldurch­ gangsdetektors 16 für die Dauer der laufenden Halbwelle der sekundärseitigen Wechselspannung leitend gesteuert. Wenn der Triac 18 leitend gesteuert ist, fließt ein Strom über eine in Serie zu dem Triac zwischen den Anschlüssen der Sekundärwicklung 12b des Transformators 12 liegenden Last 20, die einen Wechselstromverbraucher bildet und in Fig. 1 als Lampe dargestellt ist, da der bevorzugte Einsatzzweck der erfindungsgemäßen Vollweg-Phasenan­ schnitt-Steuerschaltung der Steuerung einer Halogenlampe entsprechend der gewünschten Helligkeit dient.

Wie Fig. 2 zeigt, besteht der Phasenschieber 14 bei einer bevorzugten Ausführungsform einer Steuerschaltung gemäß der Erfindung aus einem Trimmwiderstand R1, einem üblicherweise als "Regler" bezeichneten Potentiometer P1, zwei Elektrolytkondensatoren C1, C2 und zwei Dioden D1, D2. An den Anschlüssen des Phasenschiebers 14 liegt die Spannung über der Sekundärwicklung 12b des Transformators 12, d. h. die heruntertransformierte Spannung der Wechsel­ spannungsquelle 10. Bei einer positiven Halbwelle fließt der Strom über die Parallelschaltung der Widerstände R1, P1, den Kondensator C2 und die Diode D2. Bei einer nega­ tiven Halbwelle fließt der Strom über den Kondensator C1, die Diode D1 und die Parallelschaltung der Widerstände R1, P1. Da für die Aufladung des Kondensators C1 bzw. C2 in jedem Fall eine gewisse Zeit benötigt wird, ergibt sich am Ausgang a eine Wechselspannung, welche gegenüber der Wechselspannung über der Sekundärwicklung 12b um einen Phasenwinkel nacheilt, der durch die RC-Schaltung mit den beiden parallel geschalteten Widerständen R1, P1 und C1 bzw. C2 bestimmt wird, wobei der Phasenwinkel bzw. die Phasenverzögerung durch die Widerstände R1, P1 in weiten Grenzen zwischen nahezu 0^o und 180^o einstellbar ist.

Der Ausgang a des Phasenschiebers 14 bildet gleichzeitig den Eingang des Nulldurchgangsdetektors 16, dem die phasenverschobene Wechselspannung zugeführt wird. Der Nulldurchgangsdetektor 16 umfaßt zwei Transistoren T1 und T2, deren Basisanschlüsse über einen Basiswiderstand R2 mit dem Ausgang a des Phasenschiebers 14 verbunden sind, deren Emitter mit dem einen Anschluß der Sekundärwicklung 12b verbunden sind und deren Kollektoren über jeweils eine Diode D3, D4 und einen Serienwiderstand R3 mit dem anderen Anschluß der Sekundärwicklung 12b verbunden sind, wobei ggf., wie gestrichelt angedeutet, ein zusätzlicher Wider­ stand 25 zwischen dem äußeren Anschluß des Widerstands R3 und dem anderen Anschluß der Sekundärwicklung 12b liegen kann. Der Widerstand R5 dient dabei zur Begrenzung der maximalen Ausgangsleistung, so daß der minimale Phasen­ winkel ϕ=0^o nicht erreicht wird. Die Basisanschlüsse der beiden Transistoren T1, T2, die komplementäre Transistoren sind, sind über einen Widerstand R2 mit dem Ausgang a des Phasenschiebers verbunden. Der gemeinsame Verbindungspunkt der mit entgegengesetzter Polung angeschlossenen Dioden D3 und D4 mit dem Widerstand R3 ist über einen Vorwiderstand R4 mit der Steuerelektrode des Triacs 18 verbunden, der in Serie mit der Last 20 zwischen den beiden Anschlüssen der Sekundärwicklung 12b liegt.

Der Nulldurchgangsdetektor 16 arbeitet derart, daß je nach Polarität des Signals am Ausgang a des Phasenschiebers 14 der eine oder andere der beiden Transistoren T1 bzw. T2 leitend gesteuert wird, sobald am Ausgang a eine Spannung von etwa 0,6 V erreicht wird, nämlich die Durchlaßspannung der Basis-Emitter-Strecke des betreffenden Transistors, was in der Praxis mit hinreichender Genauigkeit beim Null­ durchgang der phasenverschobenen Ausgangsspannung des Phasenschiebers 14 der Fall ist. Zu diesem Zeitpunkt hat die sekundärseitige Wechselspannung über der Sekundär­ wicklung 12b bereits einen erheblichen Wert von beispiels­ weise 5 V erreicht. Sobald der betreffende Transistor T1 bzw. T2 durchschaltet, wird über den Kollektorausgang des Nulldurchgangsdetektors ein entsprechender Steuerstrom an den Triac 18 geliefert, so daß dieser leitend gesteuert wird. Der leitende Zustand des Triacs endet dann beim nächsten Nulldurchgang der sekundärseitigen Wechsel­ spannung.

Wie aus Fig. 3 deutlich wird, ist die Spannung am Ausgang a des Phasenschiebers 14 gemäß Kurve b in Fig. 3 gegenüber der Spannung über der Sekundärwicklung 12b gemäß Kurve c in Fig. 3 der Zeichnung nacheilend, so daß der Strom gemäß Kurve d in Fig. 3 durch den Triac 18 nach dem Prinzip der Phasenanschnittsteuerung in jeder Halbwelle entsprechend der Verzögerung des Nulldurchgangs der Spannung am Ausgang a verzögert einsetzt. Andererseits erfolgt das Sperren des Triacs 18 jeweils beim Nulldurchgang der sekundärseitigen Wechselspannung.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß die erfindungsgemäße Vollweg-Phasenanschnitt-Steuerschaltung mit wenigen einfachen Bauelementen realisiert werden kann - im Prinzip wird für den Phasenschieber 14 beispielsweise nur die Serienschaltung eines Potentiometers und eines Kondensators benötigt - wobei die Bauelemente außerdem nur für die niedrige sekundärseitige Spannung ausgelegt sein müssen. Andererseits bieten sich günstige Möglichkeiten für die Realisierung eines Dämmerungsschalters, wobei der Widerstand R1 entfällt und das Potentiometer P1 durch einen Photowiderstand ersetzt wird. In weiterer vorteil­ hafter Ausgestaltung der Erfindung besteht außerdem die Möglichkeit, das Potentiometer P1 durch einen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) oder mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) zu ersetzen und auf diese Weise eine temperaturabhängige Speisung des Verbrauchers, wie z. B. eines Gebläses, zu steuern, das beispielsweise im Innern des Gehäuses eines elektrischen oder elektronischen Geräts zur Kühlung der Bauteile vorgesehen sein kann. Die Steuerschaltung kann außerdem als fernsteuerbare Steuerschaltung ausgebildet werden, wenn man das Potentiometer P1 durch einen steuerbaren Halbleiterschalter ersetzt, wobei für den hier angestreb­ ten Zweck insbesondere ein Junction-FET geeignet ist.

Das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip der sekundär­ seitigen Phasenanschnittsteuerung läßt sich mit Vorteil auch dann realisieren, wenn die einem Gleichstromver­ braucher zugeführte Leistung durch Phasenanschnitt­ steuerung auf einen gewünschten Wert eingestellt werden soll. In diesem Fall würde man bei der Schaltung gemäß Fig. 2 beispielsweise einfach auf den Transistor T1 und die in Serie dazu geschaltete Diode D3 verzichten und anstelle des Triacs 18 einen Thyristor 18 einsetzen. Bei Schaltungen mit antiparallel geschalteten Thyristoren könnte in entsprechender Weise einer dieser Thyristoren entfallen.

Claims (6)

1. Phasenanschnitt-Steuerschaltung für Niederspannungs­ verbraucher mit einem mit Wechselspannung beaufschlag­ ten RC-Phasenschieber, mit einer steuerbaren Halblei­ terschalteinrichtung, mit einer zwischen dem Phasen­ schieber und der Halbleiterschalteinrichtung liegenden Zündeinrichtung für die Halbleiterschalteinrichtung und mit einem Transformator, dessen eine Wicklung Serie zu der Halbleiterschalteinrichtung in einem durch die Halbleiterschalteinrichtung schaltbaren Stromkreis liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die in Serie zu der Halbleiterschalteinrichtung (18) liegende Transformatorwicklung die im Laststromkreis des Ver­ brauchers liegende Sekundärwicklung (12b) eines pri­ märseitig an die Netzwechselspannung (10) angeschlos­ senen Transformators (12) ist und daß die Zündeinrich­ tung als mit der sekundärseitigen Wechselspannung ge­ speister, transistorisierter Nulldurchgangsdetektor (16) für das Ausgangssignal des Phasenschiebers (14) ausgebildet ist, der ebenfalls an der sekundärseitigen Wechselspannung liegt.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1 in Form einer Vollweg- Phasenanschnitt-Steuerschaltung für Niederspannungs- Wechselstromverbraucher, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschalteinrichtung durch einen Triac (18) gebildet ist, dessen Steuerelektrode mit dem Ausgang des Nulldurchgangsdetektors (16) verbunden ist und daß der Nulldurchgangsdetektor (16) als Detektor für Null­ durchgänge von Plus nach Minus und von Minus nach Plus ausgebildet ist.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 in Form einer Vollweg- Phasenanschnitt-Steuerschaltung für Niederspannungs- Wechselstromverbraucher, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschalteinrichtung durch zwei anti­ parallel geschaltete Thyristoren gebildet ist, deren Steuerelektroden über Entkoppelungsdioden mit dem Ausgang des Nulldurchgangsdetektors (16) verbunden sind und daß der Nulldurchgangsdetektor (16) als Detektor für Nulldurchgänge von Plus nach Minus und von Minus nach Plus ausgebildet ist.

4. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für eine Halogenlampe, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber (14) ein Trimmpotentiometer (R1) zur Einstellung eines vorgegebenen Mindeststroms für die Halogenlampe (20) aufweist.

5. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der den Phasenanschnitts­ winkel des Phasenschiebers (14) bestimmende Widerstand einen Photowiderstand (P1) umfaßt.

6. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der den Phasenanschnitts­ winkel bestimmende Widerstand (P1) des Phasenschiebers einen steuerbaren Halbleiterschalter, insbesondere einen Junction-FET umfaßt.