DE4032047C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Nullspannungs-Schaltungsan­ ordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der U.S. 43 39 670 bekannt. Zur Ansteuerung einer solchen Schaltungs­ anordnung werden häufig computererzeugte logische Signale verwendet. Wenn jedoch die Wechselspannungsquelle im Aus­ gangskreis der Schaltungsanordnung zu große Störsignale erzeugt, können diese bewirken, daß die Gleichrichter nicht mehr auf die Eingangssignale reagieren, so daß Ausfälle auf­ treten, d. h., daß während bestimmter Halbzyklen der Wechsel­ spannungsquelle kein Schaltvorgang erfolgt.

Eine ähnliche Schaltungsanordnung ist aus der DE 33 44 476 bekannt, bei der ein Thyristor mittels eines Phototran­ sistors gezündet wird. Die verwendete Nullspannungssteuerung kann nur aktiviert werden, wenn das Lichtsignal eine Photo­ diode belichtet. Diese Photodiode dient dazu, bei Licht­ einfall das Zünden des Thyristors mittels des Photo­ transistors zu unterbinden, wenn die Betriebsspannung auf einen Wert außerhalb des Nulldurchgangsbereiches gestiegen ist, bei dem der Thyristor nicht mehr gezündet werden darf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Schaltungsanordnung derart zu verbessern, daß Störsignale der Wechselspannungsquelle möglichst keinen Einfluß auf den Schaltvorgang mehr haben.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend an den Fig. 1 bis 3 bei­ spielsweise erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine bekannte Schaltung entsprechend der US-PS 43 39 670,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Fig. 1 und

Fig. 3 eine Schaltung gemäß der Erfindung.

Bei der in Fig. 1 gezeigten AC-Relaisschaltung 10 mit Nullspannungs-Schaltvorgang sind eine Wechselspannungsquel­ le und eine Last 18 zwischen die Ausgänge 12 und 14 in Reihe geschaltet. Die Arbeitsweise der Schaltung 10 ist derart, daß ein effektiv offener Kreis zwischen den Ausgän­ gen 12 und 14 bewirkt wird, wenn das Relais nicht betätigt ist, so daß die Spannung der Quelle 16 nicht auf die Last 18 übertragen wird, und daß ein effektiver Kurzschluß zwischen den Ausgängen 12 und 14 bewirkt wird, wenn das Relais betä­ tigt wird, so daß die Spannung der Quelle 16 über die Re­ laisschaltung auf die Last 18 übertragen wird.

Um dies zu erreichen sind zwei photosensitive siliziumge­ steuerte Gleichrichter 20 und 22 gegensinnig parallel zwischen die Ausgänge 12 und 14 geschaltet, um einen Kreis zu schaffen, der in beiden Richtungen Strom leiten kann und der somit zur Vollweg-Wechselspannungssteuerung geeignet ist. Die beiden Gleichrichter 20 und 22 sind so angeordnet, daß der Laststrom, wenn sie im leitenden Zustand während der positiven Halbzyklen der Spannung der Quelle 16 leiten und die Spannung am Anschluß 12 gegenüber der Spannung am Anschluß 14 positiv ist, durch den Anoden/Kathoden-Kreis des Gleichrichters 20 fließt. Dagegen fließt der Laststrom während der negativen Halbzyklen der Spannung der Quelle 16 durch den Anoden/Kathoden-Kreis des Gleichrichters 22.

Die Gleichrichter 20 und 22 werden jeweils durch zwei LEDs 24 und 26, die nahe diesen angeordnet sind, in den leiten­ den Zustand gebracht. Die LEDs 24 und 26 sind mit einem Strombegrenzungswiderstand 28 und einer Eingangssignalquel­ le 34 in Reihe geschaltet. Wenn die Eingangssignalquelle 34 den LEDs 24 und 26 ein Eingangssignal zuführt, erzeugen sie Licht, das auf die Gleichrichter 20 und 22 optisch übertra­ gen wird. Hierdurch werden die Gleichrichter 20 und 22 in den leitenden Zustand getriggert und bewirken einen Voll­ weg-Leitungspfad von der Wechselspannungsquelle zur Last 18. Wenn die Eingangssignalquelle 34 abgeschaltet wird, werden die Gleichrichter 20 und 22 durch die Stromumkehr der Wechselspannungsquelle 16 in den nichtleitenden Zustand gebracht.

Die soweit beschriebene Schaltung 10 ermöglicht es der Ein­ gangssignalquelle 34 die Gleichrichter 20 und 22 bei jedem Spannungspegel der Wechselspannungsquelle 16 in den leiten­ den Zustand zu triggern. Um zu verhindern, daß die Relais­ schaltung 10 eingeschaltet wird, wenn die Wechselspannungs­ quelle 16 einen beträchtlichen Wert und Einschwingvorgänge ein größeres Problem darstellen, ist eine Nullspannungs- Schaltungsanordnung durch Transistoren 36 und 38 und ein Strombegrenzungswiderstand 40 vorgesehen. Der NPN-Tran­ sistor 36 ist mit seinem Kollektor und seinem Emitter mit der Steuerelektrode bzw. der Kathode des Gleichrichters 20 verbunden und der NPN-Transistor 38 ist mit seinem Kollek­ tor und seinem Emitter mit der Steuerelektrode bzw. der Ka­ thode des Gleichrichters 22 verbunden.

Eine photosensitive siliziumgesteuerte Gleichrichterein­ richtung kann gegenüber Eingangslichtquellen dadurch unem­ pfindlich gemacht werden, daß der Steuerelektro­ den/Kathoden-Kreis durch einen Niederimpedanzpfad über­ brückt wird. Diese Niederimpedanzpfade sind durch die Tran­ sistoren 36 und 38 vorgesehen, wenn diese in den leitenden Zustand vorgespannt sind. Dies geschieht, wenn die Spannung über der Wechselspannungsquelle 16 bestimmte Spannungsgren­ zen überschreitet, so daß die Gleichrichter 20 und 22 daran gehindert werden, in den leitenden Zustand getriggert zu werden, ausgenommen innerhalb bestimmter Spannungsgrenzen. Während der positiven Halbzyklen der Wechselspannungsquelle 16 nimmt die Spannung über dem Anoden/Kathoden-Kreis der Gleichrichter 20 und 22 bis zu dem Punkt zu, an dem sie die Emitter/Basis-Durchbruchspannung des Transistors 38 über­ schreitet. Dadurch wird Vorstrom über den Basis/Emitter- Übergang des Transistors 38 und den Widerstand 40 zu der Basis des Transistors 36 zugeführt, so daß er leitend wird. Während der negativen Halbzyklen der Wechselspannungsquelle 16, wenn die Spannung über dem Anoden/Kathoden-Kreis des Gleichrichters 22 die Emitter/Basis-Durchbruchspannung des Transistors 36 überschreitet, wird in gleicher Weise ein Vorstrom über den Widerstand 40 der Basis des Transistors 38 zugeführt, so daß der Transistor 38 leitet. Die typische Emitter/Basis-Durchbruchspannung der NPN-Transistoren 36 und 38 beträgt etwa 9 bis 12 Volt. Wenn man daher den Wi­ derstand 40 zwischen den Basen der Transistoren 36 und 38 anordnet, können die Gleichrichter 20 und 22 für Spannungen in den leitenden Zustand gebracht werden, die von der Quel­ le 16 geliefert werden, die zwischen plus und minus 9 bis 12 Volt liegen.

Bei der Schaltung 10 in Fig. 1 fallen jedoch bestimmte Halbzyklen des Betriebs aus, wenn bestimmte Spannungsquel­ len verwendet werden, die elektrische Störsignale mit anormalen Pegeln erzeugen. Der Grund hierfür kann anhand der Fig. 2 erläutert werden, die die Sinuswellenform der von der Quelle 16 erzeugten Spannung zeigt. Die Gleichung für die Sinuswelle ist gegeben durch V=Vmax sin(2πFT), wobei V die momentane Spannung, Vmax die maximale Spitzenspannung der Sinuswelle, F die Frequenz der Sinuswelle und T die Zeit ist. Löst man die Gleichung nach T auf, so ergibt sich T=1/2π F×arcsin (V/Vmax). T ist die Zeit, in der das Relais einschalten muß, bevor der Null-Einschaltkreis die Gleich­ richter 20 und 22 der Fig. 1 klemmt.

T ist ersichtlicherweise zu der Frequenz F und der maxima­ len Spannung Vmax umgekehrt proportional. Typische Netz­ spannungen, wie sie für diese Schaltungen verwendet werden, haben eine maximale Spannung von 115 Volt bei einer Fre­ quenz von 400 Hz und erzeugen ein Fenster von plus oder minus 12 Volt für den Schaltbereich, so daß T etwa 30 Mikro­ sekunden beträgt. Wenn das Relais 10 der Fig. 1 während dieser Zeit nicht einschaltet, muß es auf den nächsten Halbzyklus warten, so daß ein Ausfall eintritt.

Nun können die Gleichrichter 20 und 22 dadurch gegenüber Störsignalen unempfindlich gemacht werden, daß Ihre Steuer­ elektroden auf Masse geklemmt werden. Dies kann offensicht­ lich während der Einschaltzeit und der Periode des Null­ spannungsfensters nicht geschehen, weshalb die Werte für die Widerstände 42 und 44 beim Stand der Technik so gewählt werden, daß die Gleichrichter 20 und 22 auch nicht leicht eingeschaltet werden. Ein sehr großer Anteil der Störsigna­ le in der Spannungsquelle der Last kann die Gleichrichter 20 und 22 gegenüber den Eingangslichtsignalen unempfindlich ma­ chen, so daß Ausfälle auftreten. Durch die Erfindung soll das Ausfallproblem vermieden werden.

Die Schaltung 48 der Fig. 3 ist ähnlich der in Fig. 1 ge­ zeigten, mit der Ausnahme, daß der Widerstand 42 durch einen Sperrschicht-FET 60 ersetzt wurde, der eine Gateelek­ trode hat, die durch einen Widerstand 54 vorgespannt ist, die parallel zu einer Photodiode 50 geschaltet ist, daß der Wider­ stand 44 durch einen Sperrschicht-FET 62 ersetzt wurde, dessen Gateelektrode durch einen Widerstand 56 vorgespannt ist, die parallel zu einer Photodiode 52 geschaltet ist, und daß Kondensatoren 64 und 66 auf gegenüberliegenden Seiten des Widerstands 40 mit den Ausgängen 12 und 14 verbunden sind.

Bei der Schaltung 48 der Fig. 3 sind die Transistoren 60 und 62 normalerweise zwischen der Source- und der Draine­ lektrode leitend. Während des allgemeinen Betriebszustandes der Schaltung sind die Steuerelektroden der Gleichrichter 20 und 22 im wesentlichen direkt mit den Kathoden verbun­ den. Ohne ein Eingangssignal der LEDs 24 und 26 wird keiner der Gleichrichter 20 oder 22 durch Schwingungsvorgänge in der Last in irgendeiner Weise beeinflußt, selbst während der Periode nicht, in der die Spannung der Last 16 im Fen­ sterbereich liegt. Im allgemeinen ist die Impedanz der FET 60 und 62 geringer als 1000 Ohm, während die der Widerstän­ de, die sie ersetzen, typischerweise 25 bis 50 kOhm be­ trägt.

Andererseits sind die PDs 50 und 52 direkt gekoppelt, so daß sie Licht von der LED 26 bzw. 24 empfangen und, wenn Eingangssignale von der Eingangssignalquelle zu den Gleich­ richtern 20 und 22 übertragen werden, die PDs 50 und 52 eine negative Spannung an der Gateelektrode des jeweiligen FETs 60 oder 62 erzeugen, die diesen Transistor sperrt. Das Sperren z. B. des Transistors 60 bewirkt, daß die Steuere­ lektrode des Gleichrichters 20 frei wird, so daß im wesent­ lichen ein offener Kreis besteht. Dadurch kann der Gleich­ richter 20 nur in Abhängigkeit von dem Signal einschalten, das von der LED 26 während der Periode des Fensters erzeugt wird, und das Auftreten von Schwingungen in der Ausgangs­ last wird vollkommen beseitigt.

Der Transistor 62 arbeitet in gleicher Weise in Abhängig­ keit von einer negativen Spannung an seiner Steuerelektro­ de, die von der PD 52 geliefert wird, um den Transistor 62 zu sperren und eine unbegrenzte Impedanz an der Steuerelek­ trode des Gleichrichters 22 während der negativen Halbzyk­ len der Spannung der Quelle 16 zu erzeugen.

Die Transistoren 36 und 38 sprechen in der gleichen Weise (wie in Fig. 1) auf das Vorhandensein von Strom durch den Widerstand 40 und den Basis/Emitter-Übergang des Transi­ stors 36 oder 38 an, um das begrenzende Fenster zu erzeu­ gen, so daß ein Nullspannungs-Schaltvorgang auftreten kann. Die Kondensatoren 64 und 66 sind angeordnet um HF-Schwin­ gungen abzuleiten, so daß die Transistoren 36 und 38 nicht einschalten und die Steuerelektroden der Gleichrichter 22 und 20 vorzeitig klemmen.

Die Schaltung gemäß der Erfindung beseitigt im wesentlichen Ausfälle. Es wurde festgestellt, daß die Schaltung der Fig. 3 für Schwingungsstörsignale selbst im Nullspannungs-Fen­ sterbereich bei Abwesenheit von Eingangssignalen von den LEDs 24 und 26 wegen des besseren Klemmens durch die FET 60 und 62 weniger empfindlich ist. Außerdem haben die Gleich­ richter 20 und 22 eine bessere maximale Empfindlichkeit, da die FETs 60 und 62 bei Vorhandensein von Eingangssignalen, die durch die LEDs 26 und 24 geliefert werden, die über die PDs 50 und 52 angekoppelt sind, einen scheinbar offenen Kreis erzeugen. Darüber hinaus ist die Störung durch vorzei­ tiges HF-Klemmen aufgrund der Bypass-Kondensatoren 66 und 64 minimiert.

Claims (5)

1. Nullspannungs-Schaltanordnung zur Steuerung des Stroms einer Wechselspannungsquelle zu einer Last, die in Reihe geschaltet sind, mit einem ersten und einem zweiten photosensitiven siliziumgesteuerten Gleichrichter, die je­ weils eine Steuer-, eine Anoden- und eine Kathodenelektrode haben, wobei die Anoden-/Kathodenelektroden gegensinnig parallel zur Last- und zur Wechselspannungsquelle geschaltet sind, einer ersten Einrichtung zum Anlegen von Eingangs­ signalen, um Licht zu erzeugen und den ersten und zweiten Gleichrichter einzuschalten, einer zweiten Einrichtung, um die Steuerelektrode des ersten Gleichrichters in Abhängig­ keit von ausgewählen positiven Wechselspannungen, die von der Wechselspannungsquelle erzeugt werden, an seine Katho­ denelektrode zu klemmen, sowie einer dritten Einrichtung, um die Steuerelektrode des zweiten Gleichrichters in Abhängig­ keit von ausgewählten negativen Wechselspannungen, die von der Wechselspannungsquelle erzeugt werden, an seine Katho­ denelektrode zu klemmen, gekennzeichnet durch eine vierte Einrichtung (54, 56, 60, 62), um die Steuer­ elektrode jedes Gleichrichters (20 bzw. 22) an seine Kathodenelektrode zu klemmen, wenn kein Licht erzeugt wird, und eine fünfte Einrichtung (50, 52, 60, 62), um die durch die vierte Einrichtung geschlossene Steuer-/Kathodenelektro­ denstrecke jedes Gleichrichters (20 bzw. 22) zu unter­ brechen, wenn Licht erzeugt wird.

2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung zum Klemmen der Steuerelektrode des ersten Gleichrichters (20) an seine Kathodenelektrode und die dritte Einrichtung zum Klemmen der Steuerelektrode des zweiten Gleichrichters (22) an seine Kathodenelektrode jeweils aus einem Widerstand (40) und einem Flächen­ transistor (36 bzw. 38) bestehen, deren Emitter- und Kollektorelektrode zwischen die Steuer- und Kathoden­ elektrode des zugehörigen Gleichrichters (20 bzw. 22) geschaltet sind und dessen Basiselektrode über den Wider­ stand (40) mit der Basiselektrode des anderen Flächen­ transistors verbunden ist.

3. Schaltanordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch zwei Kondensatoren (64, 66), von denen jeweils einer die Basiselektrode eines der Flächentransistoren (36 bzw. 38) mit der Kathode des zugehörigen Gleichrichters (20 bzw. 22) verbindet.

4. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Einrichtung zum Klemmen der Steuerelektrode jedes Gleichrichters (20 bzw. 22), wenn kein Licht erzeugt wird, aus zwei FETs (60, 62), deren Source- und Drainelektroden jeweils die Steuer- und Kathodenelektrode eines der Gleichrichter (20 bzw. 22) verbinden, und zwei Widerständen (54, 56) besteht.

5. Schaltanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die fünfte Einrichtung zum Unterbrechen der Steuer- /Kathodenelektrodenstrecke jedes Gleichrichters (20 bzw. 22) aus zwei Photodioden (50, 52), die zwischen die Steuer- und Sourceelektroden des FETs (60, 62) geschaltet sind, und den beiden FETs besteht.