EP3891892A1 - Verfahren und steuerschaltung zum ansteuern eines thyristors oder triacs - Google Patents

Verfahren und steuerschaltung zum ansteuern eines thyristors oder triacs

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EP3891892A1
EP3891892A1 EP19805967.7A EP19805967A EP3891892A1 EP 3891892 A1 EP3891892 A1 EP 3891892A1 EP 19805967 A EP19805967 A EP 19805967A EP 3891892 A1 EP3891892 A1 EP 3891892A1
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EP
European Patent Office
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triac
thyristor
control circuit
pulse
gate
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Withdrawn
Application number
EP19805967.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jerzy Kurek
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Diehl AKO Stiftung and Co KG
Original Assignee
Diehl AKO Stiftung and Co KG
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a method for driving a thyristor or tri acs, the thyristor or triac being ignited by a control circuit after a voltage zero crossing of an AC voltage source by means of a gate current pulse, and a corresponding control circuit.
  • Thyristors and triacs are ignited by a current at the gate electrode, i.e. switched to conductive and remain conductive after switching on even without gate current until the current flow through the thyristor or triac falls below a so-called holding current. While thyristors can only switch in one direction and thus act like a diode when switched on, triacs functionally represent an anti-parallel circuit of two thyristors and can thus switch alternating current. In principle, it is possible to keep the thyristor or triac permanently switched on by a continuous gate current. On the other hand, the thyristor or triac can also be ignited by gate current pulses after a voltage zero crossing of the AC voltage source, as a result of which the energy consumption of the control can be reduced.
  • the method for driving a thyristor or triac wherein the thyristor or triac after a voltage zero crossing gang of an AC voltage source by means of a gate current pulse is ignited by a control circuit having an adjustment phase in which the control circuit determines an ignition pulse duration of the gate current pulse for igniting the thyristor or triac, since with the current through the thyristor or triac after the end of the gate current pulse at least one Einraststromwert reached, and an operating phase in which the control circuit controls the thyristor or triac after a voltage zero crossing of the AC voltage source with a gate current pulse with the determined ignition pulse duration and then monitors a current flow through the thyristor or triac.
  • the most optimal firing pulse duration can be set with which reliable and energy-saving control for firing the thyristor or triac can be achieved.
  • a correct and energy-saving control for firing the thyristor or triac can be achieved.
  • the monitoring also enables adaptive adaptation of the control of the thyristor or triac in order to achieve a reliable and energy-saving mode of operation.
  • the energy saving effect is particularly evident with thyristors and triacs, which require high gate currents to ignite.
  • the reduced energy consumption can also reduce the heat generation of the thyristor or triac.
  • the control circuit preferably adjusts the set ignition pulse duration if the monitoring shows that there is no current flow through the thyristor or triac after the end of the gate current pulse.
  • the current flow through the thyristor or triac is preferably monitored using a gate voltage between the gate connection and the cathode connection of the thyristor or triac. If the gate voltage exceeds a predetermined limit value, there is a current flow through the thyristor or triac.
  • the control circuit controls the thyristor or triac with a further gate current pulse with a hold pulse duration in the operating phase before the AC voltage source crosses zero.
  • the control circuit preferably also determines in the setting phase a hold pulse duration for the further gate current pulse before a voltage zero crossing of the AC voltage source, so that the current through the thyristor or triac does not fall below a hold current value before the start of the further gate current pulse.
  • the control circuit preferably adjusts the set holding pulse duration if the monitoring shows that there is no current flow through the thyristor or triac before the start of the further gate current pulse.
  • the thyristor or triac is ignited only after a certain phase angle after a voltage zero crossing of the AC voltage source by means of a gate current pulse.
  • the control circuit determines the ignition pulse duration in the setting phase as a function of the predetermined phase angle and controls the thyristor or triac in the operating phase only after the predetermined phase angle after a zero voltage crossing of the AC voltage source with a gate current pulse with the determined ignition pulse duration .
  • control circuit preferably determines several different ignition pulse durations for different phase angles in the setting phase.
  • control circuit repeats the adjustment phase regularly.
  • the setting of the firing pulse duration and / or the holding pulse duration can be adapted to possibly changing operating conditions or functional properties of the thyristor or triac.
  • the control circuit for driving a thyristor or triac includes a pulse generator for generating a gate current pulse to a gate terminal of the thyristor or triac, a current flow monitoring device for monitoring a current flow through the thyristor or triac, and a controller which is connected to the Pulse generator and the Stromflußüberwachungsein direction is connected, wherein the controller for performing the above-described method for driving a thyristor or triac is designed according to the invention.
  • the current flow monitoring device has a voltage detection device for detecting a gate voltage between the gate connection and the cathode connection of the thyristor or triac.
  • the control circuit preferably also has a memory connected to the controller for storing the determined ignition pulse duration, the adapted ignition pulse duration, the determined hold pulse duration and the adapted hold pulse duration.
  • Figure 1 is a circuit diagram of a triac circuit with a control circuit according to the vorlie invention.
  • Fig. 2 is a current-time diagram for explaining the principle of operation of a control circuit according to the present invention
  • FIG. 3 shows a flowchart of a method for driving a triac according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows a flow chart of an adjustment phase for adjusting the ignition pulse duration for the method of FIG. 3; and FIG. 5 shows a flowchart of an adjustment phase for adjusting the hold pulse duration for the method from FIG. 3.
  • FIGS. 1 and 2 With reference to FIGS. 1 and 2, the structure and mode of operation of a triac circuit with a control circuit according to the invention are first explained by way of example.
  • the triac circuit contains a series connection of a triac 1 and a load 2, which is connected to an AC voltage source 3.
  • the triac 1 is controlled by a control circuit 4.
  • the control circuit 4 has a pulse generator 6 for generating gate current pulses IP1, IP2 with a gate current value IG which are applied to the gate electrode of the triac 1.
  • the pulse generator 6 is operated by a controller 5.
  • a phase synchronization 7 with the AC voltage source 3 is provided.
  • the controller 5 is also connected to a memory 8 for storing various parameter values, a timer 9 and a current flow monitoring device for monitoring a current flow through the triac 1.
  • the current flow monitoring device has a voltage detection device 10 for detecting a gate voltage UG between the gate electrode and the cathode of the triac 1.
  • the ignition pulse duration TL of the gate current pulse IP1 is selected such that the current IR through the triac after the end of the gate current pulse IP1 exceeds a latching current value IL, so that the triac 1 remains switched on even without a gate current IG. Should be prevented that the triac 1 turns off when the current IR through the triac 1 falls below a holding current value IH, then before the next voltage zero crossing tNO a further gate current pulse IP2 is applied to the gate electrode of the triac 1 by the Keep triac 1 on.
  • the holding pulse duration TH of the further gate current mimpulses IP2 is chosen so that the current IR through the triac at the beginning of the further gate current pulse IP2 is still above the holding current value IH. If the phase duration of a voltage half-wave is designated TP, the further gate current pulse IP2 is started at a time tnO + TP-TH.
  • the method according to the invention for actuating the triac 1 contains an adjustment phase P10 and an operating phase P20, the operating phase comprising an ignition phase P22, a monitoring phase P24 and a holding phase P26 can be broken down.
  • the control circuit 4 determines an ignition pulse duration TL for the gate current pulse IP1 after a voltage zero crossing tNO and a Haltim pulse duration TH for the further gate current pulse IP2 before a voltage zero crossing tNO, as illustrated in FIGS. 4 and 5.
  • the setting phase P10 can also be referred to as the learning phase, since the pulse durations TL, TH are not set by a user, but are determined automatically by the control circuit 4.
  • the setting of the ignition pulse duration TL in the setting phase P10 by the control circuit 4 comprises the steps S120 to S126.
  • the controller 5 uses the voltage detection device 10 to check whether the gate voltage UG has reached a predetermined limit value UGM in order to conclude from this that there is or does not exist a current flow through the triac 1. If after the end of the gate current pulse IP1 there is a current flow through the triac 1 (“J” in S124), the ignition pulse duration TL is long enough for the current IR through the triac to exceed the latching current value IL and for the triac 1 to be switched on even without a gate current IG remains. In this case, the current value of the ignition pulse duration TL is stored in the memory 8 of the control circuit 4 (step S125) in order to be used for the gate current pulse IP1 in the ignition phase P22 of the operating phase P20.
  • the ignition pulse duration TL is too short, so that current IR through the triac does not reach the latching current value IL and the triac 1 is without gate current IG turns off.
  • the current value of the ignition pulse duration TL is increased by a pulse duration difference dt in step S126 and the process from step S122 (or alternatively from step S121) is repeated until the increased ignition pulse duration TL is sufficient (“J” in S124).
  • the setting of the holding pulse duration TH in the setting phase P10 by the control circuit 4 comprises the steps S140 to S144.
  • the holding pulse duration TH is first set to an initial value TH0.
  • the initial value can be the determined ignition pulse duration TL, for example. It is then checked in step S141 whether at the beginning of the further gate current pulse IP2, i.e. at the time tNO + TP - TH current IR still flows through the triac 1. If this is not the case (“N” in S141), the holding pulse duration TH must be increased in step S142, so that the further gate current pulse IP2 begins earlier. The increased hold pulse duration TH is then stored in the memory 8 (step S143) in order to be used for the further gate current pulse IP2 in the hold phase P26 of the operating phase P20.
  • step S141 If, on the other hand, there is still a current flow IR through the triac 1 (“J” in S141) at the beginning of the further gate current pulse IP2, the holding pulse duration TH is shortened by dT in step S144 and the method goes back to step S141.
  • the setting of the holding pulse duration TH by the control circuit 4 can also be dispensed with.
  • the holding pulse duration TH is set, for example, to the value of the determined ignition pulse duration TL, so that the further gate current pulse IP2 is certainly long enough for the triac to remain switched on before the next voltage zero crossing tNO.
  • control circuit 4 After completion of the described setting phase P10, the control circuit 4 goes into the operating phase P20, in which the triac 1 is controlled according to the settings and the proper and energy-saving functioning of the triac 1 is monitored.
  • the ignition phase P22 of the operating phase P20 begins at a voltage zero crossing tNO (step S220).
  • the gate current pulse IP1 is started (step S222) and maintained for the determined ignition pulse duration TL (step S224).
  • step S224 the gate current IG is switched off (step S240) and the monitoring phase P24 begins.
  • step S241 the voltage detection device 10 of the control circuit 4 detects the gate voltage UG.
  • step S242 the detected gate voltage UG is compared with a predetermined limit value UGM. If the gate voltage UG reaches the limit value UGM (“J” in S242), the controller 5 detects a current flow IR through the triac 1. This means that the ignition pulse duration TL is sufficient to ignite the triac 1.
  • step S243 the gate current pulse IP1 is therefore immediately activated again in order to switch on the triac 1.
  • step S240 the ignition pulse duration TL can also be adjusted. This adjustment takes place, for example, analogously to the adjustment phase according to FIG. 4.
  • the gate voltage UG is detected by the voltage detection device 10 of the control circuit 4 (step S246).
  • the detected gate voltage UG is compared with a predetermined limit value UGM. If the gate voltage UG reaches the limit value UGM (“J” in S247), the controller 5 detects a current flow IR through the triac 1. This means that the triac 1 is still switched on and the further gate current pulse IP2 has not yet started correctly had to become. Monitoring of the current flow then continues.
  • step S247 the controller 5 knows that the current flow IR through the triac 1 no longer exists. This means that the holding pulse duration TH is too short and the triac 1 has already switched off before the start of the further gate current pulse IP2.
  • a gate current IG is therefore immediately applied to the triac 1 in order to switch the triac 1 on again.
  • the holding pulse duration TH can also be adapted. This adjustment takes place, for example, analogously to the setting phase according to FIG. 5.
  • step S260 the further gate current pulse IP2 is then started in order to maintain the current flow IR through the triac 1, even if the current IR falls below the holding current value ICH.
  • the further gate current pulse IP2 is then retained until the next voltage zero crossing tNO + TP (step S261).
  • the operating phase P20 is then continued for the next voltage half-wave with the same steps S220 to S261.
  • the present invention can also be implemented in connection with a so-called leading edge control.
  • the gate current pulse IP1 is only started after a certain phase angle W after the voltage zero crossing tNO, as shown in FIG. 2 indicated.
  • the further gate current pulse IP2 can already be ended a certain phase angle before the voltage zero crossing tNO.
  • the control circuit 4 determines different ignition pulse durations TL and, if appropriate, also different holding pulse durations TH for different phase angles W.
  • the controller 5 selects the determined pulse durations TL, TH for the respectively desired phase angle W in order to carry out the operating phase P20 with these pulse durations TL, TH.

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Abstract

Ein Triac (1) wird nach einem Spannungsnulldurchgang (tN0) einer Wechselspannungsquelle (3) mittels eines Gatestromimpulses (IP1) von einer Steuerschaltung (4) gezündet. In einer Einstellphase (P10) ermittelt die Steuerschaltung (4) eine Zündimpulsdauer (TL) des Gatestromimpulses (IP1) zum Zünden des Triacs (1), damit der Strom (IR) durch den Triac (1) nach dem Ende des Gatestromimpulses (IP1) mindestens einen Einraststromwert (IL) erreicht. In einer Betriebsphase (P20) steuert die Steuerschaltung (4) den Triac (1) nach einem Spannungsnulldurchgang (tN0) der Wechselspannungsquelle (3) mit einem Gatestromimpuls (IP1) mit der ermittelten Zündimpulsdauer (TL) an und überwacht anschließend einen Stromfluss durch den Triac (1), um gegebenenfalls die ermittelte Zündimpulsdauer (TL) anzupassen.

Description

VERFAHREN UND STEUERSCHALTUNG
ZUM ANSTEUERN EINES THYRISTORS ODER TRIACS
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Thyristors oder Tri acs, wobei der Thyristor oder Triac nach einem Spannungsnulldurchgang einer Wechsel spannungsquelle mittels eines Gatestromimpulses von einer Steuerschaltung gezündet wird, sowie eine entsprechende Steuerschaltung.
Thyristoren und Triacs werden durch einen Strom an der Gate-Elektrode gezündet, d.h. leitfähig geschaltet und bleiben nach dem Einschalten auch ohne Gatestrom leitend bis der Stromfluss durch den Thyristor bzw. Triac einen sogenannten Haltestrom unter schreitet. Während Thyristoren nur in einer Richtung schalten können und so im einge schalteten Zustand wie eine Diode wirken, stellen Triacs funktionell eine Antiparallel schaltung von zwei Thyristoren dar und können so Wechselstrom schalten. Grundsätz lich ist es möglich, den Thyristor bzw. Triac durch einen kontinuierlichen Gatestrom dau erhaft im eingeschalteten Zustand zu halten. Andererseits kann der Thyristor bzw. Triac auch durch Gatestromimpulse nach einem Spannungsnulldurchgang der Wechselspan nungsquelle gezündet werden, wodurch der Energieverbrauch der Ansteuerung reduziert werden kann.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Ansteuerung eines Thyristors oder Triacs mit reduziertem Energieverbrauch und hoher Zuverlässigkeit zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist das Verfahren zum Ansteuern eines Thyristors oder Triacs, wobei der Thyristor oder Triac nach einem Spannungsnulldurch- gang einer Wechselspannungsquelle mittels eines Gatestromimpulses von einer Steuer schaltung gezündet wird, die eine Einstellphase, in der die Steuerschaltung eine Zündim pulsdauer des Gatestromimpulses zum Zünden des Thyristors oder Triacs ermittelt, da mit der Strom durch den Thyristor oder Triac nach dem Ende des Gatestromimpulses mindestens einen Einraststromwert erreicht, und eine Betriebsphase, in der die Steuer schaltung den Thyristor oder Triac nach einem Spannungsnulldurchgang der Wechsel spannungsquelle mit einem Gatestromimpuls mit der ermittelten Zündimpulsdauer an steuert und anschließend einen Stromfluss durch den Thyristor oder Triac überwacht.
Durch das selbsttätige Ermitteln einer geeigneten Zündimpulsdauer durch die Steuer schaltung in der Einstellphase kann eine möglichst optimale Zündimpulsdauer eingestellt werden, mit der eine zuverlässige und energiesparende Ansteuerung zum Zünden des Thyristors bzw. Triacs erzielt werden kann. Durch das Überwachen des Stromflusses durch den Thyristor bzw. Triac in der Betriebsphase kann eine korrekte und energiespa rende Ansteuerung zum Zünden des Thyristors bzw. Triacs erzielt werden. Die Überwa chung ermöglicht außerdem ein adaptives Anpassen der Ansteuerung des Thyristors bzw. Triacs, um eine zuverlässige und möglichst energiesparende Funktionsweise zu er zielen. Der Energiespareffekt ist besonders deutlich bei Thyristoren und Triacs, die hohe Gateströme zum Zünden benötigen. Durch den reduzierten Energieverbrauch kann auch die Wärmeerzeugung des Thyristors bzw. Triacs verringert werden.
Vorzugsweise passt die Steuerschaltung die eingestellte Zündimpulsdauer an, falls die Überwachung ergibt, dass nach dem Ende des Gatestromimpulses kein Stromfluss durch den Thyristor oder Triac vorhanden ist.
Die Überwachung des Stromflusses durch den Thyristor oder Triac erfolgt vorzugsweise anhand einer Gatespannung zwischen dem Gateanschluss und dem Kathodenanschluss des Thyristors bzw. Triacs. Falls die Gatespannung einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, existiert ein Stromfluss durch den Thyristor bzw. Triac.
In einer Ausgestaltung der Erfindung steuert die Steuerschaltung in der Betriebsphase vor einem Spannungsnulldurchgang der Wechselspannungsquelle den Thyristor oder Triac mit einem weiteren Gatestromimpuls mit einer Halteimpulsdauer an. Bei dieser Ausgestaltung ermittelt die Steuerschaltung in der Einstellphase vorzugsweise ferner eine Halteimpulsdauer für den weiteren Gatestromimpuls vor einem Spannungsnull durchgang der Wechselspannungsquelle, damit der Strom durch den Thyristor oder Triac vor dem Start des weiteren Gatestromimpulses nicht einen Haltestromwert unter schreitet. Vorzugsweise passt die Steuerschaltung die eingestellte Halteimpulsdauer an, falls die Überwachung ergibt, dass vor dem Start des weiteren Gatestromimpulses kein Stromfluss durch den Thyristor oder Triac vorhanden ist.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Thyristor oder Triac erst nach einem vor bestimmten Phasenwinkel nach einem Spannungsnulldurchgang der Wechselspan nungsquelle mittels eines Gatestromimpulses gezündet. Bei einer solchen Phasenan schnittsteuerung ermittelt die Steuerschaltung in der Einstellphase die Zündimpulsdauer in Abhängigkeit von dem vorbestimmten Phasenwinkel und steuert die Steuerschaltung den Thyristor oder Triac in der Betriebsphase erst nach dem vorbestimmten Phasenwin kel nach einem Spannungsnulldurchgang der Wechselspannungsquelle mit einem Gate stromimpuls mit der ermittelten Zündimpulsdauer an.
Bei dieser Ausgestaltung ermittelt die Steuerschaltung in der Einstellphase vorzugsweise mehrere verschiedene Zündimpulsdauern für unterschiedliche Phasenwinkel.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wiederholt die Steuerschaltung die Ein stellphase regelmäßig. Auf diese Weise kann die Einstellung der Zündimpulsdauer und/oder der Halteimpulsdauer an sich gegebenenfalls verändernde Betriebsbedingun gen oder Funktionseigenschaften des Thyristors bzw. Triacs angepasst werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung enthält die Steuerschaltung zur Ansteue rung eines Thyristors oder Triacs einen Impulsgenerator zum Erzeugen eines Gatestro mimpulses an einen Gateanschluss des Thyristors oder Triacs, eine Stromflussüberwa chungseinrichtung zum Überwachen eines Stromflusses durch den Thyristor oder Triac und eine Steuerung, die mit dem Impulsgenerator und der Stromflussüberwachungsein richtung verbunden ist, wobei die Steuerung zum Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens zum Ansteuern eines Thyristors oder Triacs gemäß der Erfindung ausgestal tet ist. In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Stromflussüberwachungseinrichtung eine Spannungserfassungsvorrichtung zum Erfassen einer Gatespannung zwischen dem Ga teanschluss und dem Kathodenanschluss des Thyristors bzw. Triacs auf. Vorzugsweise weist die Steuerschaltung ferner einen mit der Steuerung verbundenen Speicher zum Speichern der ermittelten Zündimpulsdauer, der angepassten Zündimpuls dauer, der ermittelten Halteimpulsdauer und der angepassten Halteimpulsdauer auf.
Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgen- den Beschreibung bevorzugter, nicht-einschränkender Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnung besser verständlich. Darin zeigen, größtenteils schematisch:
Fig. 1 ein Schaltbild einer Triac-Schaltung mit einer Steuerschaltung gemäß der vorlie genden Erfindung;
Fig. 2 ein Strom-Zeit-Diagramm zum Erläutern des Funktionsprinzips einer Steuer schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ansteuern eines Triacs gemäß ei nem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm einer Einstellphase zum Einstellen der Zündimpulsdauer für das Verfahren von Fig. 3; und Fig. 5 ein Ablaufdiagramm einer Einstellphase zum Einstellen der Halteimpulsdauer für das Verfahren von Fig. 3.
Bezug nehmend auf Fig. 1 und 2 werden zunächst der Aufbau und die Funktionsweise einer Triac-Schaltung mit einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung beispielhaft erläu- tert.
Die Triac-Schaltung enthält eine Reihenschaltung aus einem Triac 1 und einer Last 2, die an einer Wechselspannungsquelle 3 angeschlossen ist. Der Triac 1 wird von einer Steuerschaltung 4 angesteuert. Die Steuerschaltung 4 hat einen Impulsgenerator 6 zum Erzeugen von Gatestromimpul sen IP1 , IP2 mit einem Gatestromwert IG, die an die Gate-Elektrode des Triacs 1 gelegt werden. Der Impulsgenerator 6 wird von einer Steuerung 5 betrieben. Zum Erkennen der richtigen Zeitpunkte der der Gatestromimpulse IP1 , IP2 ist eine Phasensynchronisation 7 mit der Wechselspannungsquelle 3 vorgesehen. Die Steuerung 5 ist außerdem mit ei nem Speicher 8 zum Speichern verschiedener Parameterwerte, einem Timer 9 und einer Stromflussüberwachungseinrichtung zum Überwachen eines Stromflusses durch den Triac 1 verbunden. Die Stromflussüberwachungseinrichtung weist in diesem Ausfüh rungsbeispiel eine Spannungserfassungsvorrichtung 10 zum Erfassen einer Gatespan nung UG zwischen der Gate-Elektrode und der Kathode des Triacs 1 auf.
Im ausgeschalteten bzw. blockierten Zustand ist der Triac 1 hochohmig und entspricht einem geöffneten Schalter und sperrt so den Strom IR durch den Triac 1 und damit auch durch die Last 2 (IR = 0). An der Gate-Elektrode des Triacs 1 liegt kein Gatestrom an (IG = 0). In diesem Betriebszustand fällt über der Last 2 keine Spannung ab (UR = 0) und fällt über dem Triac 1 die Wechselspannung UN ab (UT = UN). Wegen des fehlenden Stromflusses durch den Triac ist die Gatespannung UG = 0.
Nach einem Spannungsnulldurchgang tNO wird der Triac 1 mit einem Gatestromimpuls IP1 mit einem Gatestromwert IG gezündet. Im gezündeten bzw. eingeschalteten Zustand ist der Triac 1 niederohmig und entspricht einem geschlossen Schalter, der einen Strom IR durch den Triac 1 und durch die Last 2 entsprechend der Wechselspannung UN er möglicht. In diesem Betriebszustand fällt über der Last 2 etwa die Wechselspannung UN ab (UR « UN) und fällt über dem Triac 1 keine Spannung ab (UT = 0). Aufgrund des Stromflusses IR durch den Triac 1 ist eine Gatespannung UG erfassbar, die einen Grenzwert UGM überschreitet.
Die Zündimpulsdauer TL des Gatestromimpulses IP1 ist so gewählt, dass der Strom IR durch den Triac nach dem Ende des Gatestromimpulses IP1 einen Einraststromwert IL übersteigt, sodass der Triac 1 auch ohne Gatestrom IG eingeschaltet bleibt. Soll verhin dert werden, dass sich der Triac 1 ausschaltet, wenn der Strom IR durch den Triac 1 ei nen Haltestromwert IH unterschreitet, so wird vor dem nächsten Spannungsnulldurch gang tNO ein weiterer Gatestromimpuls IP2 an die Gate-Elektrode des Triacs 1 gelegt, um den Triac 1 eingeschaltet zu halten. Die Halteimpulsdauer TH des weiteren Gatestro- mimpulses IP2 ist so gewählt, dass der Strom IR durch den Triac zur Beginn des weite ren Gatestromimpulses IP2 noch über dem Haltestromwert IH liegt. Wird die Phasen dauer einer Spannungshalbwelle mit TP bezeichnet, so wird der weitere Gatestromim puls IP2 zu einem Zeitpunkt tnO + TP - TH gestartet.
Diese grundsätzliche Funktionsweise eines Triacs und dessen Ansteuerung sind dem Fachmann bekannt. Auf eine detailliertere Erläuterung kann daher verzichtet werden.
Bezug nehmend auf Fig. 3 bis 5 wird nun beispielhaft ein Ausführungsbeispiel einer er findungsgemäßen Ansteuerung des Triacs 1 in mehr Einzelheiten erläutert.
Wie in Fig. 3 bzw. in den Teilfiguren 3A und 3B veranschaulicht, enthält das erfindungs gemäße Verfahren zum Ansteuern des Triacs 1 eine Einstellphase P10 und eine Be triebsphase P20, wobei die Betriebsphase in eine Zündphase P22, eine Überwachungs phase P24 und eine Haltephase P26 aufgegliedert werden kann.
In der Einstellphase P10 werden von der Steuerschaltung 4 eine Zündimpulsdauer TL für den Gatestromimpuls IP1 nach einem Spannungsnulldurchgang tNO und eine Halteim pulsdauer TH für den weiteren Gatestromimpuls IP2 vor einem Spannungsnulldurchgang tNO ermittelt, wie in Fig. 4 bzw. Fig. 5 veranschaulicht. Die Einstellphase P10 kann auch als Lernphase bezeichnet werden, da die Impulsdauern TL, TH nicht von einem Nutzer eingestellt, sondern von der Steuerschaltung 4 selbsttätig ermittelt werden.
Wie in Fig. 4 beispielhaft dargestellt, umfasst das Einstellen der Zündimpulsdauer TL in der Einstellphase P10 durch die Steuerschaltung 4 die Schritte S120 bis S126.
Im ersten Schritt S120 wird die Zündimpulsdauer TL zunächst auf einen niedrigen An fangswert TL0 gesetzt. Dann wird bis auf Spannungsnulldurchgang tNO gewartet (Schritt S121 ). Bei Erreichen des Spannungsnulldurchgangs tNO („J“ in S121 ) wird im nächsten Schritt S122 ein Gatestromimpuls IP1 mit einem Gatestromwert IG und der Zündimpuls dauer TL an die Gate-Elektrode des Triacs 1 gelegt, um den Triac 1 einzuschalten. Nach Ablauf der Zündimpulsdauer TL wird in Schritt S123 der Gatestromimpuls IP1 beendet (IG = 0). Danach prüft die Steuerung 5 mit Hilfe der Spannungserfassungsvorrichtung 10, ob die Gatespannung UG einen vorbestimmten Grenzwert UGM erreicht hat, um daraus auf das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Stromflusses durch den Triac 1 zu schließen. Existiert nach dem Ende des Gatestromimpulses IP1 ein Stromfluss durch den Triac 1 („J“ in S124), so ist die Zündimpulsdauer TL lang genug, damit der Strom IR durch den Triac den Ein raststromwert IL übersteigt und der Triac 1 auch ohne Gatestrom IG eingeschaltet bleibt. In diesem Fall wird der aktuelle Wert der Zündimpulsdauer TL im Speicher 8 der Steuerschaltung 4 gespeichert (Schritt S125), um in der Zündphase P22 der Betriebsphase P20 für den Gatestromimpuls IP1 benutzt zu werden.
Existiert dagegen nach dem Ende des Gatestromimpulses IP1 kein Stromfluss durch den Triac 1 („N“ in S124), so ist die Zündimpulsdauer TL zu kurz, sodass Strom IR durch den Triac nicht den Ein raststromwert IL erreicht und sich der Triac 1 ohne Gatestrom IG aus schaltet. In diesem Fall wird in Schritt S126 der aktuelle Wert der Zündimpulsdauer TL um eine Impulsdauerdifferenz dt erhöht und das Verfahren ab Schritt S122 (oder alterna tiv ab Schritt S121 ) so lange wiederholt bis die erhöhte Zündimpulsdauer TL ausreichend ist („J“ in S124).
Wie in Fig. 5 beispielhaft dargestellt, umfasst das Einstellen der Halteimpulsdauer TH in der Einstellphase P10 durch die Steuerschaltung 4 die Schritte S140 bis S144.
Im ersten Schritt S140 wird die Halteimpulsdauer TH zunächst auf einen Anfangswert TH0 gesetzt. Der Anfangswert kann zum Beispiel der ermittelten Zündimpulsdauer TL sein. Dann wird in Schritt S141 geprüft, ob zu Beginn des weiteren Gatestromimpulses IP2, d.h. zum Zeitpunkt tNO + TP - TH noch Strom IR durch den Triac 1 fließt. Ist dies nicht der Fall („N“ in S141 ), so muss die Halteimpulsdauer TH in Schritt S142 erhöht wer den, damit der weitere Gatestromimpuls IP2 früher beginnt. Die erhöhte Halteimpuls dauer TH wird dann in den Speicher 8 gespeichert (Schritt S143), um in der Haltephase P26 der Betriebsphase P20 für den weiteren Gatestromimpuls IP2 benutzt zu werden. Existiert dagegen zu Beginn des weiteren Gatestromimpulses IP2 noch ein Stromfluss IR durch den Triac 1 („J“ in S141 ), so wird die Halteimpulsdauer TH in Schritt S144 um dT verkürzt und das Verfahren geht zurück zu Schritt S141.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann auch auf die Einstellung der Halteimpulsdauer TH durch die Steuerschaltung 4 verzichtet werden. In diesem Fall wird die Halteimpulsdauer TH beispielsweise auf den Wert der ermittelten Zündimpulsdauer TL gesetzt, sodass der weitere Gatestromimpuls IP2 sicher ausreichend lang ist, damit der Triac vor dem nächsten Spannungsnulldurchgang tNO eingeschaltet bleibt.
Nach Abschluss der beschriebenen Einstellphase P10 geht die Steuerschaltung 4 in die Betriebsphase P20 über, in der der Triac 1 gemäß den Einstellungen angesteuert wird und die ordnungsgemäße und energiesparende Funktionsweise des Triacs 1 überwacht werden.
Die Zündphase P22 der Betriebsphase P20 beginnt bei einem Spannungsnulldurchgang tNO (Schritt S220). Zum Spannungsnulldurchgang tNO wird der Gatestromimpuls IP1 ge startet (Schritt S222) und für die ermittelte Zündimpulsdauer TL aufrechterhalten (Schritt S224).
Nach Ablauf der Zündimpulsdauer TL („J“ in S224) wird der Gatestrom IG abgeschaltet (Schritt S240) und es beginnt die Überwachungsphase P24. In Schritt S241 wird durch die Spannungserfassungsvorrichtung 10 der Steuerschaltung 4 die Gatespannung UG erfasst. In Schritt S242 wird die erfasste Gatespannung UG mit einem vorbestimmten Grenzwert UGM verglichen. Erreicht die Gatespannung UG den Grenzwert UGM („J“ in S242), so erkennt die Steuerung 5 einen Stromfluss IR durch den Triac 1 . Dies bedeutet, dass die Zündimpulsdauer TL für das Zünden des Triacs 1 ausreichend ist.
Erreicht die Gatespannung UG hingegen den Grenzwert UGM nicht („N“ in S242), so er kennt die Steuerung 5, dass kein Stromfluss IR durch den Triac 1 existiert. Dies bedeu tet, dass die Zündimpulsdauer TL für das Zünden des Triacs 1 zu kurz war und sich der Triac 1 nach Beenden des Gatestromimpulses IP1 ausschaltet. In Schritt S243 wird des halb sofort wieder der Gatestromimpuls IP1 aktiviert, um den Triac 1 einzuschalten. Da nach wird die Überwachungsphase mit Schritt S240 fortgesetzt. Optional kann nach dem erneuten Aktivieren des Gatestromimpulses IP1 in Schritt S243 auch noch die Zündim pulsdauer TL angepasst werden. Diese Anpassung erfolgt zum Beispiel analog zur Ein stellphase gemäß Fig. 4.
Bleibt der Triac 1 nach Beenden des Gatestromimpulses IP1 mit der Zündimpulsdauer TL oder des verlängerten Gatestromimpulses IP1 eingeschaltet, so wird bis zum Zeit punkt tNO + TP - TH des geplanten weiteren Gatestromimpulses IP2 gewartet. Solange dieser Zeitpunkt noch nicht erreicht ist (“N“ in S245), wird durch die Spannungserfas sungsvorrichtung 10 der Steuerschaltung 4 die Gatespannung UG erfasst (Schritt S246). In Schritt S247 wird die erfasste Gatespannung UG mit einem vorbestimmten Grenzwert UGM verglichen. Erreicht die Gatespannung UG den Grenzwert UGM („J“ in S247), so erkennt die Steuerung 5 einen Stromfluss IR durch den Triac 1. Dies bedeutet, dass der Triac 1 noch im eingeschalteten Zustand ist und der weitere Gatestromimpuls IP2 kor rekterweise noch nicht gestartet werden musste. Die Überwachung des Stromflusses wird dann fortgesetzt.
Erreicht die Gatespannung UG hingegen den Grenzwert UGM nicht („N“ in S247), so er kennt die Steuerung 5, dass kein Stromfluss IR mehr durch den Triac 1 existiert. Dies bedeutet, dass die Halteimpulsdauer TH zu kurz ist und sich der Triac 1 bereits vor Be ginn des weiteren Gatestromimpulses IP2 ausgeschaltet hat. In Schritt S248 wird des halb sofort ein Gatestrom IG an den Triac 1 gelegt, um den Triac 1 wieder einzuschalten. Optional kann nach dem Aktivieren des Gatestroms IG in Schritt S248 auch noch die Halteimpulsdauer TH angepasst werden. Diese Anpassung erfolgt zum Beispiel analog zur Einstellphase gemäß Fig. 5.
Bleibt der Triac 1 hingegen bis zum geplanten Startzeitpunkt des weiteren Gatestromim pulses IP2 eingeschaltet („J“ in S247), so beginnt dann die Haltephase P26. In Schritt S260 wird dann der weitere Gatestromimpuls IP2 gestartet, um den Stromfluss IR durch den Triac 1 aufrechtzuerhalten, selbst wenn der Strom IR den Haltestromwert ICH unter schreitet. Der weitere Gatestromimpuls IP2 bleibt dann bis zum nächsten Spannungs nulldurchgang tNO + TP erhalten (Schritt S261 ).
Die Betriebsphase P20 wird dann für die nächste Spannungshalbwelle mit den gleichen Schritten S220 bis S261 fortgesetzt.
Während die Erfindung oben anhand der Fig. 1 bis 5 am Beispiel einer Triac- An Steue rung ohne Phasenwinkel erläutert worden ist, kann die vorliegende Erfindung auch in Zu sammenhang mit einer sogenannten Phasenanschnittsteuerung realisiert werden. Bei einer Phasenanschnittsteuerung wird der Gatestromimpuls IP1 erst nach einem be stimmten Phasenwinkel W nach dem Spannungsnulldurchgang tNO gestartet, wie in Fig. 2 angedeutet. Ebenso kann bei einer Phasenanschnittsteuerung der weitere Gatestromi mpuls IP2 bereits einen bestimmten Phasenwinkel vor dem Spannungsnulldurchgang tNO beendet werden. Im Fall einer solchen Phasenanschnittsteuerung werden in der Einstellphase P10 von der Steuerschaltung 4 verschiedene Zündimpulsdauern TL und gegebenenfalls auch verschiedene Halteimpulsdauern TH für unterschiedliche Phasenwinkel W ermittelt. In der Betriebsphase P20 wählt die Steuerung 5 dann die ermittelten Impulsdauern TL, TH für den jeweils gewünschten Phasenwinkel W aus, um die Betriebsphase P20 mit diesen Impulsdauern TL, TH durchzuführen.
Während die Erfindung oben anhand der Fig. 1 bis 5 am Beispiel einer Triac-Schaltung erläutert worden ist, kann der Fachmann das Konzept der vorliegenden Erfindung auch auf die Ansteuerung eines Thyristors übertragen.
BEZUGSZIFFERNLISTE
1 Triac
2 Last
3 Wechselspannungsquelle
4 Steuerschaltung
5 Steuerung
6 Impulsgenerator
7 Phasensynchronisation
8 Speicher
9 Timer
10 Spannungserfassungsvorrichtung I Strom
IG Gatestrom(wert)
IH Haltestromwert
IL Einraststromwert
IP1 Gatestromimpuls nach Spannungsnulldurchgang IP2 Gatestromimpuls vor Spannungsnulldurchgang
IR Strom durch Last bzw. Triac
t Zeit
dT Impulsdauerdifferenz
TH Halteimpulsdauer
THO Anfangswert Halteimpulsdauer
TL Zündimpulsdauer
TLO Anfangswert Zündimpulsdauer
tNO Zeitpunkt Spannungsnulldurchgang
TP Phasendauer Spannungshalbwelle
UG Gatespannung
UGM Grenzwert Gatespannung
UN Wechselspannung
UR Spannungsabfall über Last
UT Spannungsabfall über Triac
W Phasenwinkel

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Verfahren zum Ansteuern eines Thyristors oder Triacs (1 ), wobei der Thyristor oder Triac (1 ) nach einem Spannungsnulldurchgang (tNO) einer Wechselspannungs quelle (3) mittels eines Gatestromimpulses (IP1 ) von einer Steuerschaltung (4) ge zündet wird, aufweisend:
eine Einstellphase (P10), in der die Steuerschaltung (4) eine Zündimpulsdauer (TL) des Gatestromimpulses (I P1 ) zum Zünden des Thyristors oder T riacs (1 ), damit der Strom (IR) durch den Thyristor oder Triac (1 ) nach dem Ende des Gatestromimpul ses (IP1 ) mindestens einen Einraststromwert (IL) erreicht, ermittelt (S120 - S125); und
eine Betriebsphase (P20), in der die Steuerschaltung (4) den Thyristor oder Triac (1 ) nach einem Spannungsnulldurchgang (tNO) der Wechselspannungsquelle (3) mit einem Gatestromimpuls (IP1 ) mit der ermittelten Zündimpulsdauer (TL) ansteu ert (S222, S224) und anschließend einen Stromfluss durch den Thyristor oder Triac (1 ) überwacht (S241 , S242, S246, S247).
Verfahren nach Anspruch 1 , bei welchem
die Steuerschaltung (4) die Zündimpulsdauer (TL) anpasst (S244), falls die Über wachung (S241 , S242) ergibt, dass nach dem Ende des Gatestromimpulses (IP1 ) kein Stromfluss durch den Thyristor oder Triac (1 ) vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem
die Überwachung des Stromflusses durch den Thyristor oder Triac (1 ) anhand ei ner Gatespannung (UG) zwischen dem Gateanschluss und dem Kathodenan schluss des Thyristors oder Triacs (1 ) erfolgt (S241 , S242, S246, S247).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem
die Steuerschaltung (4) in der Einstellphase (P10) ferner eine Halteimpulsdauer (TH) für einen weiteren Gatestromimpuls (IP2) vor einem Spannungsnulldurchgang (tNO) der Wechselspannungsquelle (3), damit der Strom (IR) durch den Thyristor oder Triac (1 ) vor dem Start des weiteren Gatestromimpulses (IP2) nicht einen Hal testromwert (IH) unterschreitet, ermittelt (S140 - S144); und die Steuerschaltung (4) in der Betriebsphase (P20) vor einem Spannungsnull durchgang (tNO) der Wechselspannungsquelle (3) den Thyristor oder Triac (1 ) mit einem weiteren Gatestromimpuls (IP2) mit der ermittelten Halteimpulsdauer (TH) ansteuert (S260, S262).
Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem
die Steuerschaltung (4) die Halteimpulsdauer (TH) anpasst (S249), falls die Über wachung (S246, S247) ergibt, dass vor dem Start des weiteren Gatestromimpulses (I P2) kein Stromfluss durch den Thyristor oder T riac (1 ) vorhanden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem
der Thyristor oder Triac (1 ) erst nach einem vorbestimmten Phasenwinkel (W) nach einem Spannungsnulldurchgang (tNO) der Wechselspannungsquelle (3) mit tels eines Gatestromimpulses (IP1 ) gezündet wird;
die Steuerschaltung (4) in der Einstellphase (P10) die Zündimpulsdauer (TL) in Ab hängigkeit von dem vorbestimmten Phasenwinkel (W) ermittelt; und
die Steuerschaltung (4) den Thyristor oder Triac (1 ) in der Betriebsphase (P20) erst nach dem vorbestimmten Phasenwinkel (W) nach einem Spannungsnulldurchgang (tNO) der Wechselspannungsquelle (3) mit einem Gatestromimpuls (IP1 ) mit der ermittelten Zündimpulsdauer (TL) ansteuert (S222, S224).
Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem
die Steuerschaltung (4) in der Einstellphase (P10) mehrere verschiedene Zündim pulsdauern (TL) für unterschiedliche Phasenwinkel (W) ermittelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem
die Steuerschaltung (4) die Einstellphase (P10) regelmäßig wiederholt.
Steuerschaltung (4) zur Ansteuerung eines Thyristors oder Triacs (1 ), aufweisend: einen Impulsgenerator (6) zum Erzeugen eines Gatestromimpulses (IP1 , IP2) an einen Gateanschluss des Thyristors oder Triacs (1 );
eine Stromflussüberwachungseinrichtung (10) zum Überwachen eines Stromflus ses durch den Thyristor oder T riac (1 ); und
eine Steuerung (5), die mit dem Impulsgenerator (6) und der Stromflussüberwa chungseinrichtung (10) verbunden ist, wobei die Steuerung (5) zum Durchführen eines Verfahrens zum Ansteuern eines Thyristors oder T riacs (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgestaltet ist.
10. Steuerschaltung nach Anspruch 9, bei welcher
die Stromflussüberwachungseinrichtung eine Spannungserfassungsvorrichtung
(10) zum Erfassen einer Gatespannung (UG) zwischen dem Gateanschluss und dem Kathodenanschluss des Thyristors oder Triacs (1 ) aufweist.
1 1. Steuerschaltung nach Anspruch 9 oder 10, ferner aufweisend:
einen Speicher (8), der mit der Steuerung (5) verbunden ist, zum Speichern der er mittelten Zündimpulsdauer (TL), der angepassten Zündimpulsdauer (TL), der ermit telten Halteimpulsdauer (TH) und der angepassten Halteimpulsdauer (TH).
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