DE4445923A1 - Detektor zur Ermittlung des Verlaufes einer Wechselspannung und zur Erzeugung von Schaltsignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Detektor zur Ermittlung des Verlaufes einer Wechselspannung in einem Versorgungsnetz und zur Erzeugung von Schaltsignalen vor den Spannungsnulldurchgängen, vorzugs­ weise zur Auslösung der Zündung eines Triacs im Spannungsnulldurch­ gang.

Bekannt geworden sind sog. Netzabtastungen einfacher Bauart, die in der Nähe jedes Nulldurchganges einer Wechselspannung einen Pegel­ wechsel abgeben. Nachteilig ist, daß die Erkennung der Nulldurchgänge entweder zu früh oder zu spät erfolgt, was sich ungünstig auf das Steuern elektronischer Leistungsschalter auswirkt.

Bekannt sind auch Nulldurchgangsdetektoren in integrierten Schaltungen, die zuweilen mit Brückenschaltungen aus Dioden aufgebaut sind. Es wird damit eine präzise Nulldurchgangsdetektion erreicht. Hierzu ist aber ein beträchtlicher Aufwand an Bauteilen erforderlich. Nach­ teilig ist auch, daß in den meisten Haushaltsgeräten preiswerte und langsam arbeitende Mikro-Kontroller zum Einsatz kommen, die dann nicht die Nulldurchgangsinformation ausreichend schnell verarbeiten können.

Bekannt geworden ist auch eine Anordnung zur Erzeugung eines Schalt­ signals angenähert zu den Zeitpunkten der Nulldurchgänge einer Wechsel­ spannung. Diese Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Anschlußstellen der Wechselspannung ein hochohmiger Spannungs­ teiler geschaltet ist, daß mit dem Teilerpunkt entstehenden Wechsel­ spannungsanteil unmittelbar ein Feldeffekttransistor derart beauf­ schlagt wird, daß mit jedem Erreichen der jeweils eine angenähert im Nullpunkt beginnende bzw. endende Änderung des Schaltzustandes bewirkenden Gate-Schwellspannung als Steuerspannung für einen nachge­ schaltetes verstärktes Halbleiterelement die ausgangsseitige Spannung des Feldeffekttransistors während der einen Halbwelle und während der anderen Halbwelle die im Ausgangskreis an einer in Durchlaßrichtung beaufschlagten Diode ermittelten Spannung der jeweils anderen Polarität dient, daß während des Auftretens der jeweiligen Steuerspannung einer bestimmten Polarität an dem im Hauptstromkreis des Halbleiterele­ mentes liegenden Widerstandes das Nullpunktschaltsignal abnehmbar ist (DE 39 15 649 A1).

Diese bekannte Schaltung ermöglicht es, eine Signalisierung des kommen­ den Nulldurchganges einige Zeit vorher durchzuführen. Nachteilig ist, daß ein selbstleitender MOSFET technisch zwar möglich ist, daß dieses Schaltelement - weil nicht sehr verbreitet - relativ teuer ist.

Hinzu kommt, daß die Exemplarstreuung der Abschnürspannung des MOSFET einen großen Einfluß auf die zeitliche Relation zwischen Nulldurch­ gangs-Signalisierung und Nulldurchgang hat. Mit der bekannten Schaltung sollen Relais geschaltet werden, die eine lange Vorhaltezeit brauchen (1 bis 5 ms, je nach Typ). Diese Vorhaltezeit muß bei der bekannten Ausführung nicht übermäßig genau sein.

Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Detektor der eingangs geschilderten Art zu schaffen, der nicht nur vor jedem Nulldurchgang der Wechselspannung des Versorgungsnetzes ein Schalt­ signal erzeugt, sondern der darüber hinaus in der Lage ist, einen positiven und einen negativen Nulldurchgang voneinander zu unter­ scheiden.

Außerdem sollte die Aufgabe mit einfachen und preiswerten Schaltungs­ elementen gelöst werden.

Es wurde gefunden, daß sich diese Aufgabe in einfacher Weise dadurch lösen läßt, daß ein bistabiles Schaltelement aus durch einen Kopplungs­ widerstand gekoppelten Transistoren vorgesehen ist, dessen Basen über Vorwiderstände und Spannungsleiter mit der Netzspannung in Schalt­ verbindung stehen und bei dem am Kopplungswiderstand vor den jeweiligen Nulldurchgängen der Netzspannung Schaltsignale erscheinen. Weiterbil­ dungen des Detektors sind in den Ansprüchen 2 bis 6 gekennzeichnet.

Mit dem Detektor wird in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Mikro-Kontroller zum Zünden von Triacs angesteuert. Die erfindungsge­ mäße Schaltung kommt völlig ohne Entstörmaßnahmen aus. Die Präzisions­ anforderungen sind demgemäß hoch (Zeitfehler maximal plus minus 50 Mikro-Sekunden aufgrund von Exemplar-Streuungen und Temperaturein­ flüssen). Im übrigen kommt der erfindungsgemäße Detektor dem Schalt­ verhalten von langsamen Mikro-Kontrollern entgegen, da eine Vorhaltezeit von nur 100 bis 200 Mikro-Sekunden hier eine-sinnvolle Größenordnung darstellt.

Im übrigen bietet die erfindungsgemäße Schaltung zwei getrennte Signal­ ausgänge, um in einer Mikro-Kontroller-Schaltung für jede Nulldurch­ gangsrichtung eine eigene Interruptroutine aufrufen zu können. Hiermit ist es möglich, unterschiedliche Dinge zu erledigen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 ein beispielsweises Schaltbild der Erfindung und

Fig. 2 Potentialverläufe

Fig. 1 zeigt beispielsweise ein Schaltbild des Detektors nach der Erfindung. Diese besteht aus zwei Transitoren 1 und 2, deren Kollek­ toren C₁ und C₂ über einen Kopplungswiderstand 3 miteinander in Schalt­ verbindung stehen. Am Kollektor C₁ liegt die Klemme 4 für ein Schalt­ signal A und am Kollektor C₂ eine Klemme 5 für ein Schaltsignal B an. Der Transistor 1 ist ein PNP-Transistor, wohingegen der Transistor 2 ein NPN-Transistor ist. Der Emitter E₁ des Transistors 1 liegt an Masse an, wohingegen der Emitter E₂ des Transistors 2 an einer negativen Gleichspannung, im dargestellten Ausführungsbeispiel minus 5 Volt anliegt. Die Basis B₁ des Transistors 1 liegt über die Widerstände 7 und 9 am Netzanschluß 10 an, wohingegen die Basis B₂ des Transistors 2 über die Widerstände 8 und 9 ebenfalls am Netzanschluß 10 anliegt. Der Netzanschluß 10 ist andererseits zusammen mit dem Emitter E₁ des Transistors 1 an Masse angeschlossen.

Über einen Widerstand 6 ist die Basis B₁ des Transistors 1 an den negativen Pol der Gleichspannungsquelle angeschlossen.

Die Funktionsweise des Detektors nach Fig. 1 wird an einem Ausführungs­ beispiel beschrieben, in welchem der Widerstand 3 47 k/Ohm, der Wider­ stand 6 330 k/Ohm, der Widerstand 8 270 k/Ohm und die Widerstände 7 und 9 je 180 k/Ohm. Die Gleichspannungsversorgung beträgt minus 5 Volt und als Transistor 1 wird ein PNP-Transistor BC 557 und als Transistor 2 ein PNP-Transistor BC 547 eingesetzt.

In den Fig. 2a und 2b sind die Pegelwechsel an den Klemmen 4 und 5 dargestellt. Mit 11 ist in Fig. 2a) ein positiver Nulldurchgang der Wechselspannung dargestellt, wohingegen in Fig. 2b) ein negativer Nulldurchgang der Wechselspannung 11 dargestellt ist. Dabei wechselt in Fig. 2a) kurz vor dem Nulldurchgang der Pegel B an der Klemme 5 von 0 Volt auf minus 5 Volt. Dieser Pegelwechsel findet so weit vor dem eigentlichen Nulldurchgang der Wechselspannung 11 statt, daß der an den Detektor gemäß Fig. 1 angeschlossene Mikro-Kontroller genug Zeit hat, einen angeschlos­ senen Triac genau im Nulldurchgang der Wechselspannung 11 zu schalten.

Kurz nach dem Nulldurchgang ändert sich an der Klemme 4 der Pegel A ebenfalls von 0 Volt auf minus 5 Volt.

Fig. 2b) zeigt die Vorgänge bei einem negativen Nulldurchgang der Wechselspannung 11. An der Klemme 4 ändert sich der Pegel A von minus 5 Volt auf 0 Volt so weit vor dem eigentlichen Nulldurchgang, daß der Mikro-Kontroller genug Zeit hat, im Nulldurchgang der Spannung ein Schaltsignal abzugeben. Nach dem Nulldurchgang ändert sich der Pegel B an der Klemme 5 ebenfalls von minus 5 Volt auf 0 Volt.

Die Zeitspanne der Pegelwechsel vor dem positiven bzw. negativen Nulldurchgang wird durch die Werte der Widerstände 9, 7, 8 und 6 bestimmt.

Der Detektor nach Fig. 1 arbeitet wie folgt:
Wenn sich gemäß Fig. 2a) die negative Halbwelle der Netzspannung 11 einem positiven Nulldurchgang nähert, und zwar auf einen Wert, der durch die Widerstände 9 und 8 bestimmt ist, wird mit dem auf­ tretenden Strom über die Basis B₂ der zweite Transistor 2 leitend. Der Pegel B am Kollektor C₂ und der Klemme 5 fällt dadurch auf einen Wert minus 5 V ab.

Der erste Transistor 1 ist mittels der Widerstände 9, 7 und 6 schon durchgesteuert, so daß der Pegel A am Kollektor C₁ und an der Klemme 4 den Wert von 0 Volt des Massepotentials annimmt.

Wenn nach dem positiven Nulldurchgang (Fig. 2a) die Halbwelle der Netzspannung 11 einen gewissen positiven Spannungswert erreicht hat, wird der erste Transistor 1 gesperrt. Sein Kollektor C₁ und der Pegel A an der Klemme 4 fallen auf den Wert minus 5 Volt ab. Beide Klemmen 4 und 5 geben dann Signale A und B ab, deren Pegel minus 5 Volt ent­ sprechen.

Wenn die positive Halbwelle der Netzspannung 11 sich nachfolgend einem negativen Nulldurchgang (Fig. 2b) nähert, und unter den vorbe­ stimmten Spannungswert fällt, wird der erste Transistor 1 wieder leitend und bringt dadurch den Pegel A an der Klemme 4 erneut auf einen Wert 0 Volt. Nach dem negativen Nulldurchgang der Netzspannung 11 gemäß Fig. 2 b) und Erreichen eines gewissen negativen Spannungs­ wertes, wird der zweite Transistor 2 gesperrt, wonach an der Klemme 5 der Pegel B wieder auf 0 Volt ansteigt.

Mit dem Detektor nach der Erfindung wird so erreicht, daß vor einem positiven Nulldurchgang der Netzspannung (Fig. 2a) jeweils ein Pegel­ wechsel von 0 Volt auf einen Pegel von minus 5 Volt erfolgt, so daß an der Klemme 5 ein Schaltsignal B von minus 5 Volt erscheint. Nach dem positiven Nulldurchgang der Netzspannung gemäß Fig. 2a) fällt auch der Pegel A an der Klemme 4 auf minus 5 Volt ab. Bei einem ne­ gativen Nulldurchgang der Netzspannung 11 gemäß Fig. 2b) findet ein Pegelwechsel von minus 5 Volt auf 0 Volt statt, so daß an der Klemme B ein Schaltsignal von 0 Volt erscheint. Auf diesen Pegel B steigt dann auch nach dem negativen Nulldurchgang die Spannung an der Klemme 5 an.

Es hat sich herausgestellt, daß zur Anwendung in einem elektrischen Haushaltsgerät, vorzugsweise einem Brotröster, es besonders vorteilhaft ist, einen Nulldurchgangsdetektor zu verwenden, der durch die Kom­ bination folgender Merkmale gekennzeichnet ist, daß die Klemmen 4, 5 zur Ausgabe der Schaltsignale A, B an die Kollektoren C₁, C₂ eines PNP-Transistors 1 und eines mit diesem über einen Widerstand 3 ge­ koppelten NPN-Transistor 2 angeschlossen sind, deren Emitter E₁, E₂ an Masse bzw. einer negativen Gleichspannung anliegen, deren Basen B₁ und B₂ über Widerstände 7, 8, 9 am Netzanschluß 10 anliegen, der, wie der Emitter E₁ des PNP-Transistors 1 mit der Masse in Schaltver­ bindung steht, und dessen Basis B₁ zugleich über einen Widerstand 6 an die negative Gleichspannung angeschlossen ist.

Bezugszeichenliste

1 PNP-Transistor
2 NPN-Transistor
3 Kopplungswiderstand
4 Klemme für Schaltsignal A
5 Klemme für Schaltsignal B
6 Widerstand
7 Widerstand
8 Widerstand
9 Widerstand
10 Netzanschluß
11 Netzspannung

Claims (7)

1. Detektor zur Ermittlung des Verlaufes der Wechselspannung in einem Versorgungsnetz und zur Erzeugung von Schaltsignalen vor den Span­ nungsnulldurchgängen, vorzugsweise zur Auslösung der Zündung eines Triacs im Spannungsnulldurchgang, dadurch gekennzeichnet, daß ein bistabiles Schaltelement aus durch einen Kopplungswider­ stand (3) gekoppelten Transistoren (1 und 2) vorgesehen ist, dessen Basen (B₁ und B₂) über Vorwiderstände und Spannungsteiler mit der Netzspannung (11) in Schaltverbindung stehen und bei dem am Kopplungswiderstand (3) vor den jeweiligen Nulldurchgängen der Netzspannung (11) Schaltsignale (A, B) erscheinen.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor ein PNP-Transistor (1) und der zweite Transistor ein NPN-Transistor (2) ist.

3. Detektor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoren (C₁, C₂) des PNP-Transistors (1) und des NPN-Transistors (2) über den Kopplungswiderstand (3) miteinander gekoppelt sind und daß die Klemmen (4, 5) zur Ausgabe der Schalt­ signale (A, B) an die Kollektoren (C₁, C₂) der Transistoren ange­ schlossen sind.

4. Detektor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter (E₁, E₂) der Transistoren (1, 2) an Masse bzw. einer negativen Versorgungsspannung anliegen.

5. Detektor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (B₂) des NPN-Transistors (2) über Vorwiderstände (8, 9) an der Netzspannung anliegt.

6. Detektor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (B₁) des PNP-Transistors (1) über einen Spannungs­ teiler zwischen Netzspannung und negativer Gleichspannung (Wider­ stände 6, 7, 9) angeschlossen ist.

7. Detektor zu Ermittlung des Verlaufes der Wechselspannung in einem Versorgungsnetz und zur Erzeugung von Schaltsignalen vor den Spannungsnulldurchgängen, vorzugsweise zur Auslösung der Zündung eines Triacs im Spannungsnulldurchgang zur Steuerung von Heizwider­ ständen, vorzugsweise in einem Brotröster, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Mittel, daß die Klemmen (4, 5) zur Ausgabe der Schaltsignale (A, B) an die Kollektoren (C₁, C₂) eines PNP-Transistors (1) und eines mit diesem über einen Widerstand (3) gekoppelten NPN-Transistor (2) angeschlossen sind, deren Emitter (E₁, E₂ ) an Masse bzw. einer negativen Gleichspannung anliegen, deren Basen (B₁ und B₂) über Widerstände (7, 8, 9) am Netzanschluß (10) anliegen, der, wie der Emitter (E₁) des PNP-Transistors (1) mit der Masse in Schaltver­ bindung steht, und dessen Basis (B₁) zugleich über einen Widerstand (6) an die negative Gleichspannung angeschlossen ist.