Steuereinrichtung zur Steuerung eines Stromflusswinkels
Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung gemäß dem einleitenden Teil von Anspruch 1.
Derartige Steuereinrichtungen werden üblicherweise zur Regelung der einer Last, wie z.B. einer Beleuchtungseinrichtung, zugeführten elektrischen Leistung verwendet, wobei je nach Art der Last (induktiv oder kapazitiv) im Phasenanschnitt oder aber im Phasenabschnitt gearbeitet wird. Aus der WO 92/15052 A ist eine derartige Steuereinrichtung bekannt, wobei überdies eine Hybrid- Betriebsweise vorgesehen ist, bei der jede Halbwelle sowohl im Phasenabschnitt als auch im Phasenanschnitt beschnitten wird. Dabei ist als Vorzugs-Betriebsweise die PhasenabschnittSteuerung vorgesehen, und wenn eine induktive Last von einem Sensor er- fasst wird, wird automatisch auf eine Phasenanschnittsteuerung umgeschaltet, um so Spannungsspitzen zu minimieren. Während die Phasenabschnittsteuerung normalerweise bei kapazitiven Lasten angewandt wird, wird im Falle der Erfassung eines Überstroms automatisch in die asymmetrische Hybrid-Betriebsart umgeschaltet, bei der jeweils am Beginn und am Ende einer Halbwelle Stromflusssegmente vorgesehen werden.
Üblicherweise werden derartige Steuereinrichtungen zum Dim- men von Leuchten verwendet, wobei jedoch selbstverständlich auch andere Anwendungen mit einer Regelung der elektrischen Leistung für eine Last gegeben sind. Üblicherweise wird bei den bekannten Steuereinrichtungen zum exakten Einschalten des Stromflusses im jeweiligen Nulldurchgang zu Beginn einer Halbwelle (im Fall einer PhasenabschnittSteuerung) bzw. zum Abschalten des Stromflusses am Ende der Halbwelle (im Falle einer Phasenanschnittsteuerung) ein Nulldurchgangsdetektor eingesetzt, welcher zum Beispiel mit einer phasenverriegelten Schleife aufgebaut sein kann, wobei zumeist ein hoher Schaltungsaufwand für das exakte Schalten im Nulldurchgang erforderlich ist.
Es ist nun ein Ziel der Erfindung, ein exaktes Schalten im Nulldurchgang mit möglichst geringem Schaltungsaufwand, ohne exakte Erfassung des jeweiligen Nulldurchgangs mit einem eigenen Detektor, zu ermöglichen, wobei überdies auch auf die nicht 100%ig exakt eingehaltenen Perioden der Versorgungsspannung des
üblichen Versorgungsnetzes (in Europa 230V/50Hz) Rücksicht genommen werden soll .
Weiters ist es ein Ziel, mit der vorliegenden Steuereinrichtung ungeeignete Betriebsweisen, die zu Beschädigungen bis hin zum Abbrennen der Steuereinrichtung oder aber zu Beschädigungen der Last führen können, zu vermeiden, und deshalb soll ein Sicherheitskonzept mit entsprechenden Schutzeinrichtungen vorgesehen werden.
Überdies soll gemäß einem weiteren Ziel die Steuereinrichtung mit minimaler Verlustleistung betrieben werden können, und es sollen insbesondere auch durch aneinander angepasste Anschnitt- und Abschnittflanken des Laststromes sog. EMV- Probleme (Abgabe von hochfrequenten Störimpulsen) vermieden werden können.
Die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich in erster Linie durch die in Anspruch 1 definierten Maßnahmen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung wird somit ein exaktes Schalten im Nulldurchgang automatisch durch die zu den eigentlichen Halbleiterschaltern in an sich üblicher Weise parallel geschalteten Dioden erhalten. Um dies zu ermöglichen, wird im Fall einer Phasenabschnittsteuerung der jeweilige Halbleiterschalter, insbesondere MOSFET, bereits eine kurze Zeit vor dem Nulldurchgang aufgesteuert, wobei jedoch noch kein Strom fließen kann, da der andere Halbleiterschalter gesperrt ist und die zu diesem anderen Halbleiterschalter antiparallel geschaltete Diode in Sperrrichtung gepolt ist. Beim Nulldurchgang wird jedoch diese Diode des anderen Halbleiterschalters unmittelbar leitend, und da der eine Halbleiterschalter durch den AufSteuerimpuls an seiner Steuerelektrode bereits zum Durchschalten vorbereitet ist, kann sofort im Nulldurchgang der Stromfluss beginnen. Der Strom fließt dabei durch den einen, aufgesteuerten Halbleiterschalter sowie durch die antiparallel geschaltete Diode des anderen Halbleiterschalters . Im Fall einer Phasenanschnittsteuerung ist der Stromfluss im jeweiligen Nulldurchgang zu beenden, was automatisch durch die zum anderen Halbleiterschalter antiparallel geschaltete Diode erfolgt, da die Diode dann vom Zeitpunkt des Nulldurchgangs an gesperrt wird. Der eine Halbleiterschalter
wird eine kurze Zeit über diesem Nulldurchgang hinaus im aufgesteuerten Zustand gehalten, d.h. der AufSteuerimpuls wird von der Steuereinheit eine vorgegebene kurze Zeitdauer über diesen Nulldurchgang hinaus an den Steuereingang des einen Halbleiterschalters angelegt, um sicherzugehen, dass der Nulldurchgang erreicht wird. Wenn dies geschieht, wird wie erwähnt automatisch auf Grund der nun in Sperrrichtung gepolten Diode der Stromfluss unmittelbar beendet. Dieses Prinzip wird in beiden Stromflussrichtungen, sowohl bei den positiven als auch bei den negativen Halbwellen, in entsprechender Weise angewandt, wobei dann nur die beiden antiseriell geschalteten Halbleiterschalter in der Schaltfunktion wechseln.
Der Phasenabschnitt bzw. der Phasenanschnitt erfolgt hingegen in an sich herkömmlicher Weise, wobei je nach gewünschter Leistung mit der Steuereinheit die Stromflusswinkel eingestellt und die entsprechenden SchaltZeitpunkte gesteuert werden. Denkbar ist es hier, dass die Steuereinrichtung nur für eine Phasenabschnittsteuerung oder aber Phasenanschnittsteuerung allein ausgelegt ist, wobei das erfindungsgemäße Ein- oder aber Ausschalten des Stroms exakt im Nulldurchgang mittels der antiparallel geschalteten Diode erfolgt . In der Regel - und bevorzugt - ist die Steuereinrichtung jedoch für beide Steuerungsarten, Phasenabschnitt und Phasenanschnitt, ausgelegt, wobei je nach Anwendung eine Umschaltung vorgesehen ist, und dann wird zweckmäßigerweise für beide Steuerungsarten das beschriebene Schalten im Nulldurchgang realisiert.
Bei der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung wird somit das exakte Schalten (Einschalten im Fall der Phasenabschnitt- Steuerung bzw. Abschalten im Fall der Phasenanschnittsteuerung) einfach durch Ausnutzen der bereits vorhandenen antiparallel geschalteten Dioden erreicht, und es muss nur sichergestellt sein, dass z.B. trotz etwaiger Schwankungen in der Netzfrequenz im jeweiligen Nulldurchgangs-Zeitpunkt der entsprechende Halbleiterschalter aufgesteuert ist. Hierfür ist keine besonders exakte Schaltung erforderlich, vor allem da auch die jeweilige vorgegebene Zeitdauer nicht besonders genau eingehalten werden muss; sie muss nur so groß gewählt sein, dass der jeweilige Halbleiterschalter auch bei Schwankungen in der Netzfrequenz und damit bei unterschiedlichen Dauern der Halbwellen sicher zum
Zeitpunkt des tatsächlichen Nulldurchgangs geöffnet ist. Die vorgegebene Zeitdauer kann dabei beispielsweise einfach dadurch bestimmt werden, dass die Spannung am jeweils anderen Halbleiterschalter, insbesondere am Drain-Anschluss im Fall von MOSFETs als Halbleiterschalter, mittels eines Komparators überwacht und mit einer vorgegebenen Referenzspannung verglichen wird. Die Referenzspannung wird dabei entsprechend klein gewählt, und im Falle einer PhasenabschnittSteuerung wird dann, wenn die Spannung am Drain-Anschluss des jeweils anderen Halbleiterschalters bzw. MOSFETs betragsmäßig unter den Referenzspannungswert fällt, der Komparator zur Gewinnung des Schaltimpulses für den einen Halbleiterschalter aktiviert. Im Fall der Phasenanschnittsteuerung wird nach dem Nulldurchgang dann, wenn die Spannung am Drain-Anschluss des anderen Halbleiterschalters dem Betrag nach den Wert der Referenzspannung erreicht, der Komparator zur Gewinnung des Sperrimpulses für den einen Halbleiterschalter umgeschaltet.
Für die Realisierung der Steuereinheit kann mit Vorteil ein Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller verwendet werden, wobei dann innerhalb der Steuereinheit auch Berechnungen im Zusammenhang mit den Nulldurchgängen möglich sind. Damit kann auch eine Art PLL-Schaltung (PLL - Phase Locked Loop - phasenverriegelte Schleife) rechnermäßig realisiert werden. Demgemäß kann die Steuereinheit einfach den Zeitpunkt der Aufsteuerung bzw. Sperrung des jeweiligen Halbleiterschalters dadurch bestimmen, dass die Halbwellen-Dauern laufend erfasst und auf Basis hiervon, in der Art eines Extrapolierens, die nächste Halb- wellendauer und damit der nächsten Nulldurchgang ermittelt wird und die vorgegebene Zeitdauer vom Zeitpunkt dieses nächsten Nulldurchgangs subtrahiert wird (im Phasenabschnittverfahren) bzw. zum rechnerisch ermittelten Zeitpunkt dieses nächsten Nulldurchgangs hinzuaddiert wird (im Phasenanschnittverfahren) . Dabei können die positiven und negativen Halbwellen hinsichtlich ihrer Dauer getrennt erfasst werden, um etwaige Gleichspannungs- anteile in der Netzspannung zu eliminieren. Ganz allgemein können Abweichungen zwischen den vorausberechneten Nulldurchgängen und den im Anschluss daran jeweils gemessenen Null- durchgängen, z.B. bei Frequenzschwankungen oder aber bei Gleichanteilen in der Netzspannung, bei der Berechnung der
nächsten Halbwellen-Dauern bzw. der nächsten Nulldurchgänge berücksichtigt werden.
Untersuchungen haben ergeben, dass die vorgegebene Zeitdauer, um die im Fall der Phasenabschnittsteuerung der Halbleiterschalter vor dem Nulldurchgang aufgesteuert wird bzw. im Fall der Phasenanschnittsteuerung nach dem Nulldurchgang abgeschaltet wird, vorteilhafterweise im Bereich von 100 μs bis 400 μs liegen sollte, insbesondere ungefähr 250 μs betragen kann.
Bei der vorliegenden Schalt-Steuerung zu den Nulldurchgangs- Zeitpunkten ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache Möglichkeit zur zusätzlichen Reduktion der Verlustleistung, wobei hierfür die Steuereinheit während des Aufsteuerns des jeweils einen Halbleiterschalters auch den anderen Halbleiterschalter aufsteuert, so dass sich der durch den einen Halbleiterschalter fließende Strom sodann auf den anderen Halbleiterschalter sowie die zu diesem antiparallel geschaltete Diode aufteilt . Um dabei den Vorteil des exakten Schaltens im Nulldurchgang auf Grund der Wirkung der Dioden beizubehalten, wird der jeweils andere Halbleiterschalter im Fall der Phasenabschnittsteuerung jeweils erst ein vorgegebenes Zeitintervall nach dem Einschalt-Nulldurchgang aufgesteuert, und im Fall der Phasenanschnittsteuerung wird der jeweils andere Halbleiterschalter bereits ein vorgegebenes Zeitintervall vor dem Abschalt-Nulldurchgang gesperrt. Während ganz kurzer Zeiten vor (im Phasenanschnitt) bzw. nach (im Phasenabschnitt) dem jeweiligen Nulldurchgang fließt somit der Strom zwar nur durch die antiparallel geschaltete Diode des anderen Halbleiterschalters, während des größten Teils der Zeit der Aufsteuerung des einen Halbleiterschalters teilt sich jedoch der Strom wie erwähnt dann auf die antiparallel geschaltete Diode und den anderen Halbleiterschalter auf. Untersuchungen haben gezeigt, dass dadurch die Verlustleistung der vorliegenden Steuereinrichtung um ca. 20% reduziert werden kann. Die Dauer des vorgegebenen Zeitintervalls hängt von der Regelmäßigkeit der Netzfrequenz bzw. von der Genauigkeit der Ermittlung der Nulldurchgänge bzw. der diesen vor- und nachgeordneten Schaltzeitpunkte ab, und sie sollte sich sinnvollerweise im Bereich von 10 μs oder einigen 10 μs bis zu beispielsweise 200 μs bewegen.
Im Fall der Phasenanschnittsteuerung kann das genannte vor-
gegebene Zeitintervall wiederum auf Grund von Vorausberechnungen ermittelt werden, ähnlich wie dies vorstehend im Zusammenhang mit dem Aufsteuern bzw. Sperren des jeweiligen Halbleiterschalters dargelegt wurde. Im Fall der Phasenabschnittsteuerung kann der ermittelte AufSteuer-Zeitpunkt für den einen Halbleiterschalter (der wie erwähnt eine kurze Zeitdauer, insbesondere in der Größenordnung von ca. 250 μs, vor dem Nulldurchgangs-Zeitpunkt liegt) als Basis genommen werden, und mit einer zeitlichen Verzögerung im Bereich von 300 μs* bis 500 μs, bezogen auf diesen Zeitpunkt des Aufsteuerns kann dann der jeweils andere Halbleiterschalter ebenfalls aufgesteuert werden. Diese zeitliche Verzögerung kann beispielsweise im Fall der Realisierung der Steuereinheit mit einem Mikroprozessor einfach im Mikroprozessor selbst eingestellt werden, oder aber es können hardwaremäßige Zeitverzögerungsglieder, wie sie an sich bekannt sind, verwendet werden.
Bei der Ansteuerung der Steuerelektroden der Halbleiterschalter können, insbesondere wenn MOSFET-Halbleiterschalter vorliegen, die mit TTL-Pegeln angesteuert werden, im Phasenanschnitt und im Phasenabschnitt durch die sich ergebenden unterschiedlichen Gate-Kapazitäten unterschiedliche Flankensteilheiten vorliegen. Dabei kann die Flanke im Phasenanschnitt beispielsweise dreimal so lang sein wie die Flanke im Phasenabschnitt. Diese Unterschiede können zu erheblichen EMV-Problemen führen, vor allem in Zusammenhang mit den steilen Phasenabschnitt-Flanken; auch können sich unerwünscht große Verlustleistungen bei den Phasenanschnitt-Flanken ergeben. Im vorliegenden Fall kann jedoch die zum Schalten der Halbleiterschalter bzw. MOSFETs vorgesehene Ansteuerschaltung problemlos derart angepasst werden, dass die Flankensteilheiten im Phasenanschnitt und Phasenabschnitt ungefähr gleich groß sind. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass beim Phasenabschnitt die Flanke durch einen größeren Gate-Vorwiderstand weniger steil verläuft und verlängert wird. Es liegen also zur gegenseitigen Anpassung der Flankensteilheiten unterschiedliche Vorwiderstände am jeweiligen Halbleiterschalter-Steuereingang vor, und diese unterschiedlichen Vorwiderstände können je nachdem, ob im Phasenanschnitt oder im Phasenabschnitt gearbeitet wird, mit Hilfe der Steuereinheit relativ einfach realisiert werden.
Insbesondere können dabei die Steuerausgänge der Steuereinheit je nachdem, ob ein Phasenanschnitt- oder ein Phasenabschnitt- verfahren angewandt wird, derart dimensioniert werden, dass sie entweder einen einzelnen festen Vorwiderstand oder aber diesen Vorwiderstand in Serie mit einem weiteren hinzuschaltbaren Widerstand wirksam werden lassen. Der zusätzliche Widerstand kann dabei an die beiden Steuerausgänge, diese überbrückend, angeschaltet sein, und im Fall einer Phasenabschnittsteuerung wird jener Steuerausgang, von dem der Steuereingang des einen Halbleiterschalters zum Öffnen in der vorstehend beschriebenen Weise angesteuert wird, beim Abschneiden der Phase hochohmig konfiguriert, wogegen der andere Steuerausgang, mit dem der andere Halbleiterschalter verbunden ist, auf ein niedriges Potential (Low) gelegt wird. Dadurch wird für den einen Halbleiterschalter die Reihenschaltung des festen Vorwiderstandes und des genannten zusätzlichen Widerstandes wirksam. Nach dem Ende der Flanke, beispielsweise ca. 100 μs bis 200 μs nach der genannten Ansteuerung der Steuerausgänge, kann auch der erstgenannte Steuerausgang wieder niederohmig und auf Low- Potential gelegt werden.
Durch gesonderte Gate-Kapazitäten kann die Streuung der Eingangskapazitäten der MOSFET-Halbleiterschalter unwirksam gemacht werden, wodurch eine zusätzlich verbesserte Anpassung der Flanken aneinander erreicht werden kann.
Für eine komfortable Betriebsweise kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit in an sich bekannter Weise selbsttätig je nach Last zwischen Phasenanschnitt- und PhasenabschnittSteuerung umschaltet .
Um andererseits im Hinblick auf eine besonders hohe Sicherheit mit der vorliegenden Steuereinrichtung auch Ströme durch Lasten einstellen zu können, die nicht der herkömmlichen Regel unterworfen sind, dass nämlich induktive Lasten im Phasenanschnitt und kapazitive Lasten im Phasenabschnitt gesteuert werden (z.B. sind Lasten mit Ringkerntransformatoren besser im Phasenabschnitt zu steuern) , wird gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform eine händische Einstellung auf die jeweilige Betriebsart mit Hilfe eines manuellen Betriebswahlschalters vorgesehen.
Insbesondere in Verbindung damit wird ein Sicherheitskonzept
vorgesehen, gemäß welchem in Störfällen ein Abschalten der Steuereinrichtung erfolgt, so dass eine Überprüfung der Situation und gegebenenfalls eine Umschaltung in die andere Betriebsart veranlasst wird. Es ist demgemäß eine Störfalldetektionsschaltung vorhanden, und diese erfasst insbesondere einen Überström durch die Last, um so eine Überström- bzw. Kurz- schlusssicherung zu realisieren. Für den Strom wird dabei ein vorgegebener Spitzenwert als Grenzwert eingestellt, und wenn der Strom über diesen Wert ansteigt, wird die Ansteuerung der Steuerelektroden der Halbleiterschalter abgeschaltet. Es wird jedoch ein neuerliches Einschalten in der auf diese "Störung", d.h. die Überstrom-Detektion, folgenden Halbwelle ermöglicht, wobei zugleich ein Zähler erhöht werden kann. Wird auch in den nächsten Halbwellen ein Überstrom festgestellt, also ein Überstrom über eine bestimmte Zeitdauer detektiert (was durch Erreichen eines vorgegebenen Zählerstands festgestellt werden kann) , so wird die Steuereinrichtung endgültig abgeschaltet werden, und sie lässt sich erst nach Trennen von der Netzspannung wieder einschalten, nachdem die Last bzw. die Betriebsart kontrolliert und gegebenenfalls korrigiert worden ist.
Im Fall eines Dimmers ist dabei jedoch zu berücksichtigen, dass Leuchten im kalten Zustand einen wesentlich höheren Einschaltstrom ziehen als der Betriebsstrom beträgt. Für diesen Fall wird der genannte Grenzwert beim Einschalten für eine beschränkte EinschaltZeitdauer, z.B. 300 ms lang, auf einen höheren Wert, z.B. den 4-fach-Grenzwert , angehoben, um so ein Starten überhaupt zu ermöglichen.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Überstromerkennung bzw. Strombegrenzung liegt auch darin, dass Stromspitzen, welche beim Betrieb kapazitiver Lasten im Phasenanschnitt (anstatt im Phasenabschnitt) auftreten können, erkannt werden, so dass ein Betrieb im falschen Betriebsmodus verhindert wird. Um die Steuereinheit, insbesondere im Fall der Realisierung durch einen Mikroprozessor, zu entlasten, kann die Störfalldetektionsschaltung zumindest größtenteils gesondert von dieser Steuereinheit realisiert werden, wobei auch ein Flip-Flop vorgesehen sein kann, welches bei Detektion eines Störfalls gesetzt wird, während gleichzeitig die Ansteuerung des jeweiligen Halbleiterschalters unterbrochen wird. Das Flip-Flop wird von der Steuereinheit,
insbesondere dem Mikroprozessor, jede Halbwelle abgefragt und danach zurückgesetzt. Ist eine bestimmte Zeit lang, z.B. 300 ms lang, periodisch immer wieder eine Störungsmeldung zu erkennen (durch immer wieder erfolgtes Setzen des Flip-Flops) , so wird von der Steuereinheit ein endgültiges Abschalten der Steuereinrichtung bewirkt. Ein erneutes Starten ohne sonstige Maßnahmen würde zu einer Wiederholung des genannten Vorgangs führen, so dass wiederum nach relativ kurzer Zeit (ca. 300 ms) ein Abschalten der Steuereinrichtung bewirkt wird. Auf diese Weise können Schäden, die bis zu einem Abbrennen der Steuereinrichtung führen können, sicher vermieden werden.
Zur Realisierung einer Übertemperatursicherung kann weiters die Temperatur an den Halbleiterschaltern, insbesondere an den Source-Anschlüssen im Fall von MOSFETs, laufend überwacht bzw. gemessen werden. Wenn diese Temperatur über einen vorgegebenen Grenzwert ansteigt, so schaltet die Steuereinrichtung ab, d.h. die Steuereinheit bewirkt ein endgültiges Abschalten, und die Steuereinrichtung lässt sich erst nach einem Abkühlen wieder einschalten. Auf diese Weise kann z.B. ein Schutz gegen eine schleichende Überlast bzw. generell gegen zu hohe Lasten erreicht werden. Zur Überwachung der Temperatur können an sich herkömmliche Temperatursensoren, insbesondere temperaturabhängige Widerstände, eingesetzt werden.
Schließlich wird vorzugsweise auch ein Überspannungsschutz bei der vorliegenden Steuereinrichtung vorgesehen, um etwaige Überspannungen an den Halbleiterschaltern zu erfassen; derartige Überspannungen deuten, wenn sich die Steuereinrichtung im Phasenabschnitt-Modus befindet, auf eine induktive Last und damit auf eine falsche Betriebsart hin, und nach Abschalten der Steuereinrichtung bei Detektion einer solchen Überspannung kann im Zuge einer Überprüfung der Fehler, nämlich die falsche Betriebsart-Einstellung, erkannt und die Steuereinrichtung auf die andere Betriebsart eingestellt werden. Im Einzelnen kann dabei beispielweise die Spannung an den Halbleiterschaltern nach der Abschnittflanke für ca. 500 μs gemessen werden. Wenn die Spannung in diesem Zeitraum über die maximal zulässige Netz-Spitzenspannung ansteigt, so deutet dies auf Spannungsspitzen zufolge einer induktiven Last hin, welche wie erwähnt nicht im Phasenabschnitt zu betreiben wäre .
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung veranschaulichten, besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild der vorliegenden Steuereinrichtung in Verbindung mit einer Spannungsquelle und einer Last;
Fig. 2 ein Prinzipschaltbild zur Veranschaulichung der Ansteuerung der Halbleiterschalter dieser Steuereinrichtung zwecks exakten Schaltens im jeweiligen Nulldurchgang; die Fig. 3 und 4 verschiedene Spannungs- und Stromverläufe im Phasenabschnitt (Fig. 3) bzw. Phasenanschnitt (Fig. 4) in Verbindung mit der Schaltung gemäß Fig. 2; die Fig. 5 und 6 weitere Diagramme von Spannungsverlaufen in der Schaltung gemäß Fig. 2, zur Veranschaulichung der Reduktion der Verlustleistung bei gleichzeitiger Ansteuerung beider Halbleiterschalter im Phasenabschnitt (Fig. 5) bzw. Phasenanschnitt (Fig. 6) ;
Fig. 7 in zwei einander gegenübergestellten Diagrammen, Fig. 7a und 7b, die Stromflanken im Phasenanschnitt bzw. Phasenabschnitt, zur Veranschaulichung der sich normalerweise ergebenden unterschiedlichen Flankendauern bzw. -Steilheiten;
Fig. 8 ein vereinfachtes, gegenüber Fig. 2 hinsichtlich der Gate-Vorwiderstände modifiziertes Schaltbild zur Veranschaulichung einer Ausführungsform der Steuereinrichtung, bei der die Flankensteilheiten im Phasenanschnitt und Phasenabschnitt aneinander angepasst sind; und
Fig. 9 entsprechende Spannungs- bzw. Stromdiagramme zur Veranschaulichung der angepassten Strom-Flankensteilheiten im Phasenanschnitt (Fig. 9a) und Phasenabschnitt (Fig. 9b) .
In Fig. 1 ist innerhalb der strichliert gezeichneten Umrandung in einem Blockschaltbild ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Steuereinrichtung 1 veranschaulicht, um mit Hilfe von antiseriell geschalteten Halbleiterschaltern 2, 3 in Form von MOSFETs den Strom durch eine Last 4 nach dem Phasenanschnitt- oder Phasenabschnittsprinzip zu steuern. Schematisch ist in Fig. 1 auch bei 5 eine Spannungsquelle, in der Regel das Versorgungsnetz (z.B. 230 V, 50Hz) , veranschaulicht, und überdies ist mit punktierter Linie 6 ein Betrieb mit
einem Nullleiter veranschaulicht. Insofern kann die vorliegende Steuereinrichtung 1 im Zweileiterbetrieb ebenso wie im Dreileiterbetrieb arbeiten.
Die Steuereinrichtung 1 enthält als wesentliche Komponente eine beispielsweise mit einem Mikroprozessor (μP) realisierte Steuereinheit 7, die über einen Netzteil 8 mit einer entsprechenden Speisespannung - nach Gleichrichtung mittels Dioden 9, 10 - versorgt wird. Über Tastenanschlüsse 11 und eine Schnittstelle 12 können in an sich üblicher Weise die gewünschten Einstellungen hinsichtlich der Steuerung des Stromflusswinkels, d.h. der Zeitpunkt eines Phasenabschnitts bzw. Phasenanschnitts, eingestellt werden. Im Fall eines Dimmers kann dabei ein Aufwärtsdimmen ebenso wie ein Abwärtsdimmen, beispielsweise mit Hilfe von zwei nicht näher veranschaulichten Bedienungstasten oder aber mit einer einzelnen Bedienungstaste, vorgesehen werden, wie dies an sich herkömmlich ist; auch können bestimmte Einstellungen vorgegeben werden. Da es hierfür bekannte Techniken gibt, kann sich eine diesbezügliche nähere Beschreibung erübrigen.
Mit Hilfe eines Betriebswahlschalters 13, der manuell betätigt wird, kann händisch die jeweilige Betriebsart - Phasenanschnitt oder Phasenabschnitt - eingestellt werden. Diese händische Einstellung oder Umschaltung im Fall eines als unzulässig festgestellten Betriebsmodus ist auf Basis einer vorhergehenden Überprüfung der Sicherungseinrichtung 1 und der damit verbundenen Last 4 zu bewerkstelligen, wodurch eine erhöhte Sicherheit im Vergleich zum bekannten automatischen Einstellen erzielt wird. Bei einem automatischen Einstellen der Betriebsart kann es, wenngleich diese Automatik vielfach problemlos arbeitet, in Einzelfällen nämlich zu Störungen, wie Überhitzungen etc . , kommen.
Zu diesem Sicherheitskonzept gehört auch eine möglichst umfassende Störfalldetektion mit Hilfe einer Detektionsschaltung 14, der im vorliegenden Beispiel zwei Stromsensoren 15, 16 im Kreis der Halbleiterschalter 2, 3 (es kann aber auch z.B. nur ein Stromsensor vorhanden sein) sowie zumindest ein Temperatursensor 17, beispielsweise im Bereich der Source-Elektroden der Halbleiterschalter 2, 3, zugeordnet sind. Weiters ist ein Überspannungs-Sensor 18 vorhanden, der Spannungsspitzen an den
antiseriell geschalteten Halbleiterschaltern 2, 3 detektiert und der Steuereinheit 7 meldet. Hinsichtlich dieser Überspannungen ist die Störfalldetektion im gezeigten Ausführungsbeispiel im Mikroprozessor der Steuereinheit 7 realisiert; an sich könnte jedoch der Ausgang des Überspannungs-Sensors 18 auch an die Störfalldetektionsschaltung 14 angeschlossen sein. Die gesonderte Störfalldetektionsschaltung erbringt eine Entlastung bzw. Vereinfachung der Steuereinheit 7.
Mit Hilfe der Stromsensoren 15, 16 wird ein Überstrom durch den Lastkreis erkannt. Im Einzelnen wird der Strom I mit Hilfe der Sensoren 15, 16 gemessen und in der Störfalldetektionsschaltung 14 mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen. In entsprechender Weise wird die Temperatur mit Hilfe des Temperatursensors 17 gemessen und in der Detektionsschaltung mit einem vorgegebenen Maximalwert verglichen. Steigt die Temperatur über diesen Grenzwert an, so wird von der Störfalldetektionsschaltung 14 automatisch ein Abschalten der Steuereinrichtung 1 veranlasst, wobei ein neuerliches Einschalten (über die Tastenanschlüsse 11) erst nach Abkühlen der Halbleiterschalter 2, 3 wieder möglich ist. Auf diese Weise wird vor allem ein Schutz gegen zu hohe Lasten bzw. eine schleichende Überlast erreicht .
Was die Überstrom- bzw. Kurzschlusssicherung anlangt, so wird bei Erkennen eines über dem vorgegebenen Grenzwert liegenden Stromes I normalerweise die Gate-Ansteuerung der MOSFET- Halbleiterschalter 2 , 3 abgeschaltet . In der auf dieses Abschalten folgenden Halbwelle kann die Steuereinheit 7 jedoch ein neuerliches Einschalten bewirken. Wenn der Überström-Zustand über eine bestimmte Zeit bestehen bleibt, so wird die Steuereinrichtung 1 endgültig abgeschaltet, und ein Wiedereinschalten ist erst nach dem Trennen von der Netzspannung, nach Kontrollieren der Last bzw. der eingestellten Betriebsweise, wieder möglich.
Bei manchen Lasten, wie insbesondere bei kalten Beleuchtungsmitteln, ist der Einschaltstrom, also der Strom unmittelbar nach dem erstmaligen Einschalten, wesentlich höher als der Strom im Normalbetrieb. Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, wird bei der vorliegenden Steuereinrichtung 1 der Grenzwert für den Strom I beim Einschalten für eine vorgegebene Zeitdauer, z.B. ca. 300 ms lang, auf einen höheren Wert angehoben, wie etwa auf den 4-
fachen oder 5-fachen Wert, um ein Starten überhaupt zu ermöglichen. Die Halbleiterschalter 2, 3 müssen selbstverständlich für diesen kurzzeitig höheren Strom ausgelegt sein.
Durch die beschriebene ÜberStromerkennung bzw. Strombegrenzung werden auch Stromspitzen erkannt, welche im Betrieb bei der Speisung von kapazitiven Lasten im Phasenanschnitt-Modus auftreten können, und demgemäß wird, da die Steuereinrichtung 1 selbsttätig abschaltet, ein Betrieb im falschen Modus verhindert, wobei eine Überprüfung und eine manuelle Umschaltung mit Hilfe des Betriebswahlschalters 13 veranlasst wird.
Die Störfalldetektionsschaltung 14 kann mit einem nicht näher veranschaulichten Flip-Flop ausgebildet sein, welches bei einem wie vorstehend beschrieben erfassten Störfall (Überstrom, Übertemperatur) gesetzt wird, wobei gleichzeitig die Ansteuerung der MOSFET-Halbleiterschalter 2, 3 unterbrochen wird. Das Flip- Flop wird von der Steuereinheit 7 jede Halbwelle abgefragt und zurückgesetzt .
Im Mikroprozessor der Steuereinheit 7 kann ein Zähler realisiert sein, dessen Zählerstand bei jeder Storfall-Detektion um "1" erhöht wird, und nach Erreichen eines bestimmten Zählerstandes, entsprechend dem Verstreichen der vorgegebenen Zeitdauer von z.B. ca. 300 ms wird, wenn periodisch durch Abfragen des Flip-Flops in jeder Halbwelle eine Fehlermeldung erkannt wurde, wird die Steuereinrichtung 1 durch die Steuereinheit 7 abgeschaltet . Ein erneutes Starten der Steuereinrichtung 1 mittels der entsprechenden Taste an der Tasten-Anschlussgruppe 11 würde den Vorgang wiederholen und schließlich eine Überprüfung der Schaltung, d.h. der eingestellten Betriebsart und der Last, erzwingen.
Der Mikroprozessor 7 übernimmt auch die vorbeschriebene Steuerung bei Überstromdetektion im Fall eines Einschaltens einer im Kaltzustand befindlichen Last.
Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, sind die MOSFETs 2, 3, wie dies an sich üblich ist, mit eingebauten antiparallel geschalteten Dioden 19, 20 versehen, welche jeweils einen Stromfluss in einer Richtung auch bei Sperrung des zugehörigen Halbleiterschalters 2 bzw. 3 ermöglichen. Dadurch kann beispielsweise in einer positiven Halbwelle der Strom über den einen, in Fig. 1 oberen MOSFET-Halbschalter 2 und die Diode 20
des anderen, unteren Halbleiterschalters 3 fließen. In einer negativen Halbwelle kann der Strom über die durchgeschaltete Strecke des unteren Halbleiterschalters 3 und die Diode 19 des oberen Halbleiterschalters 2 fließen.
Dieser Umstand wird bei der vorliegenden Steuereinrichtung 1 zur Erzielung eines exakten Schaltens im jeweiligen Nulldurchgangs-Zeitpunkt der einzelnen Halbwellen ausgenutzt. Diese Technik wird nunmehr anhand der Fig. 2 näher erläutert, in der ein Teil der Schaltung von Fig. 1 mehr im Detail veranschaulicht ist, wobei andere Schaltungsteile der besseren Übersicht wegen weggelassen wurden.
Im Einzelnen ist in Fig. 2 wiederum die Steuereinheit 7 in Form eines Mikroprozessors ersichtlich, welche mit zwei internen Komparatoren 21, 22 aufgebaut ist, an deren "+" -Eingänge eine Referenzspannung Vref angelegt wird. Die "-"-Eingänge der beiden Komparatoren 21, 22 liegen über Spannungsteiler R4, R5 bzw. R6, R7 an den Drain-Anschlüssen der MOSFET-Halbleiterschalter 2 bzw. 3. An die Steuereinheit 7 sind die Spannungsteiler R4, R5 bzw. R6, R7 mit ihren Verbindungspunkten angeschlossen, u. zw. an Anschlüsse P3, P4. An Steuerausgängen Pl, P2 der Steuereinheit 7 liegen die Steuerelektroden, d.h. Gate-Anschlüsse, der MOSFETs 2, 3 über Gate-Vorwiderstände Rl bzw. R2.
Im Betrieb wird im Fall einer Phasenabschnittsteuerung, s. in Ergänzung zu Fig. 2 auch Fig. 3, ein Einschalten des Stromes im jeweiligen Nulldurchgang und danach ein Abschalten entsprechend dem über die Taste (n) (Tastenanschlüsse 11, Fig. 1) eingestellten Stromflusswinkel mit Hilfe der Steuereinheit 7 bewerkstelligt. Für das exakte Einschalten des jeweiligen Halbleiterschalters, z.B. des MOSFETs 2 in der positiven Halbwelle bzw. des MOSFETs 3 in der negativen Halbwelle, müssen entsprechende AufSteuerimpulse UPI bzw. UP2 (Fig. 3) erzeugt werden. Um nun eine aufwendige Nulldurchgangs-Detektion zu erübrigen, wird das Einschalten des Laststromes I beim jeweiligen Nulldurchgang einfach mit Hilfe der antiparallel geschalteten Diode 19 bzw. 20 bewerkstelligt, wobei beispielsweise während der positiven Halbwelle die Diode 20 des unteren Halbleiterschalters 3 ab dem Nulldurchgang zu leiten beginnt, so dass ein Strom I zur Last 4 (Fig. 1) fließen kann, vorausgesetzt dass der eine, in Fig. 2 obere Halbleiterschalter 2 geöffnet ist. Zufolge
der unteren Revers-Diode 20, die während der negativen Halbwelle noch in Sperrrichtung gepolt ist, kann der Stromfluss aber erst im Nulldurchgang beginnen, was bedeutet, dass der eine, obere Halbleiterschalter 2 bereits vor dem Nulldurchgang an seiner Steuerelektrode einen AufSteuerimpuls (s. Signal UPI in Fig. 3) zugeführt erhalten kann. Durch diese "Vorbereitung" des einen Halbleiterschalters 2 bereits eine vorgegebene kurze Zeitdauer, z.B. in der Größenordnung von 100 μs bis 400 μs, vorzugsweise 250 μs, vor dem Nulldurchgang können etwaige Schwankungen in der Netzfrequenz sowie unterschiedliche Zeitpunkte für die Nulldurchgänge, auch auf Grund von Rundsteuerimpulsen, die der Netzspannung überlagert sind, hinsichtlich ihrer Auswirkung auf das Schalten im Nulldurchgang eliminiert werden - es lässt immer die zum jeweils anderen Halbleiterschalter, z.B. 3, antiparallel geschaltete Diode, z.B. 20, den Stromfluss genau im Nulldurchgang beginnen. Dies ist in der unteren Diagrammzeile für den LastStrom I in Fig. 3 zu den Zeitpunkten 0 ms, 10 ms, 20 ms, 30 ms usw. ersichtlich. Ebenso ist im Diagramm von Fig. 3 in den beiden oberen Diagrammzeilen für die AufSteuersignale UPI bzw. UP2 für die Gate-Anschlüsse der Halbleiterschalter 2, 3 ersichtlich, dass der jeweilige AufSteuerimpuls, z.B. für den einen, oberen Halbleiterschalter 2 bei 23 und für den anderen, unteren Halbleiterschalter 3 bei 24 in Fig. 3, bereits vor dem jeweiligen Nulldurchgang, beispielsweise beim Zeitpunkt "20 ms" bzw. bei den Zeitpunkten "10 ms" und "30 ms", an die Steuerelektrode des jeweiligen Halbleiterschalters 2 bzw. 3 angelegt wird, so dass die Durchschaltung "vorbereitet" wird und der Laststrom jeweils sofort, wenn die Diode 20 bzw. 19 von der Sperrrichtung um die Durchlassrichtung wechselt, zu fließen beginnen kann.
Zur Gewinnung der AufSteuerimpulse UPI bzw. UP2 kann beispielsweise die Spannung an den Drain-Anschlüssen der MOSFET- Halbleiterschalter 2 bzw. 3 mit Hilfe der Komparatoren 21, 22 mit der Referenzspannung Vref verglichen werden, was in Fig. 3 in der dritten bzw. vierten Diagrammzeile für Ul und U21 bzw. für U2 bzw. U22 veranschaulicht ist. Dabei stellen die Spannungen Ul bzw. U2 die über die Spannungsteiler R4 , R5 bzw. R6, R7 entsprechend reduzierten Spannungen an den Drain- Anschlüssen der MOSFETs 2, 3 dar, und die Spannungen U21 bzw. U22 sind die Ausgangsspannungen der Komparatoren 21 bzw. 22.
Beispielsweise vergleicht der Komparator 22, wenn der AufSteuerimpuls 23 für den einen, oberen MOSFET 2 gewonnen werden soll, die Referenzspannung Vref mit der heruntergeteilten Drain-Spannung U2 des unteren, anderen HalbleiterSchalters 3, und sobald diese herabgesetzte Drain-Spannung U2 auf die Referenzspannung Vref absinkt, wie dies in Fig. 3 bei 23' gezeigt ist, gibt der Komparator 22 ein Ausgangssignal U22 ab, das über eine Unter-Einheit des Mikroprozessors 7, die in Fig. 2 bei 25 schematisch veranschaulicht ist, die Abgabe des Auf- steuerimpulses 23 (Signal UPI in Zeile 1 von Fig. 3) veranlasst. Entsprechend der eingestellten, gewünschten Stromsteuerung bzw. Stromflusswinkelsteuerung wird dieser AufSteuerimpuls UPI bei 26 wieder beendet, so dass der eine, obere Halbleiterschalter 2 wieder sperrt und der Stromfluss somit beendet wird. Die am Drain-Anschluss des einen, oberen MOSFET-Halbleiterschalters 2 liegende Spannung, reduziert um das Spannungsteilerverhältnis, sinkt in der Folge weiter ab, vgl. Ul in der 3. Zeile in Fig. 3, bis sie die Referenzspannung Vref erreicht, und zwar zum Zeitpunkt 24' kurz vor dem nächsten Nulldurchgang, wo dann die negative Halbwelle folgt, und es wird nun vom diesen Zustand erfassenden oberen Komparator 21 ein Ausgangssignal U21 noch vor dem nächsten Nulldurchgang, z.B. bei "30 ms", abgegeben, was die Steuereinheit 7 bzw. deren Untereinheit 25 zur Abgabe des Auf- steuerimpulses für den anderen Halbleiterschalter 3, bei 24 in Fig. 3, veranlasst. Bei 27 wird dieser AufSteuerimpuls UP2 sodann wieder, in Entsprechung zum eingestellten Stromfluss- winkel, beendet, d.h. die Phase abgeschnitten.
Wenn auf die Betriebsart "Phasenanschnitt" eingestellt ist, so muss der Stromfluss jeweils exakt im Nulldurchgang beendet werden, wobei der Stromfluss zuvor entsprechend dem gewünschten Stromflusswinkel, durch den jeweiligen Halbleiterschalter 2 oder 3 im Phasenanschnitt aufgesteuert wurde, vgl. z.B. in Fig. 4 die obere Diagrammzeile UPI, Anschnittflanke 28. Danach wird exakt im Nulldurchgang der Stromfluss beendet, z.B. zum Zeitpunkt 10 ms in Fig. 4, was wiederum durch die zum jeweils anderen Halbleiterschalter, z.B. 3, antiparallel geschaltete Diode, z.B. 20, selbsttätig bewirkt wird. Hier ist nur darauf zu achten, dass der jeweils eine Halbleiterschalter, z.B. 2, nicht frühzeitig (z.B. auf Grund von NetzfrequenzSchwankungen) gesperrt wird.
Demgemäß wird hier der AufSteuerimpuls UPI über den zu erwartenden Nulldurchgangs-Zeitpunkt hinaus am Gate-Anschluss des MOSFET-Halbleiterschalters 2 angelegt, wie in Fig. 4 bei 29 gezeigt ist, wobei die Zeitdauer zwischen dem Nulldurchgang (bei 10 ms) und dem Ende des AufSteuerimpulses UPI wiederum vorzugsweise ungefähr 100 μs bis 400 μs, vorzugsweise 250 μs, beträgt. Auch hier kann zum Abschalten des MOSFET-Halbleiterschalters, z.B. 2, wiederum die Ausbildung mit den beiden Komparatoren 21, 22 herangezogen werden: Wenn die heruntergeteilte Drain-Spannung U2 am "-"-Eingang des Komparators 22 bei ihrem Anstieg die Referenzspannung Vref erreicht, wird der bis dahin auf hochliegende Ausgang UC2 des Komparators 22 auf niedrig gesetzt, was über die Untereinheit 25 der Steuereinheit 7 die Beendigung des AufSteuerimpulses UPI für den einen MOSFET-Halbleiterschalter 2 bewirkt. In entsprechender Weise wird der AufSteuerimpuls UP2 für den anderen, unteren Halbleiterschalter 3 (bei 30 in Fig. 4 nach dem entsprechenden Nulldurchgang, z.B. bei "20 ms" in Fig. 4, abgeschaltet, wenn die Drain-Spannung Ul (mit entsprechender Herunterteilung am Spannungsteiler R4, R5, nach Beendigung der negativen Halbwelle und Beginn der positiven Halbwelle wieder ansteigt und dabei die Referenzspannung Vref erreicht, s. die Abschnittflanke 30 in Fig. 4.
Wie somit ersichtlich, ist es bei der vorliegenden Ausbildung nicht erforderlich, exakt den jeweiligen Nulldurchgang mit einem aufwendigen Nulldurchgangsdetektor zu erfassen, und die vorgegebene Zeitdauer für die jeweiligen AufSteuerimpulse bereits vor dem jeweiligen Nulldurchgang (im Phasenabschnitt- verfahren) bzw. noch nach dem jeweiligen Nulldurchgang (im Phasenanschnittverfahren) kann durch entsprechende Festlegung der Referenzspannung Vref eingestellt werden. Beispielsweise kann die Referenzspannung auf ca. 25 V bzw. um das Spannungs- teilerverhältnis R4:R5 bzw. R6:R7 reduziert im Prozessor 7 festgelegt werden, wobei dann bei einer Netzspannung von 230 V/50 Hz die angesprochene Zeitdauer ca. 250 μs beträgt.
Die Zeitpunkte für das Anlegen bzw. Abschalten der AufSteuerimpulse UPI bzw. UP2, wie vorstehend anhand der Fig. 3 und 4 beschrieben, vor bzw. nach dem jeweiligen Nulldurchgang, je nachdem ob im Phasenabschnitt oder im Phasenanschnitt gearbeitet wird, können auch rechnerisch in der Untereinheit 25 des
Mikroprozessors 7 in der Art einer PLL-Schaltung ermittelt werden. Dabei werden bevorzugt die Halbwellen-Dauern der positiven und negativen Halbwellen getrennt gemessen, um mögliche Gleichspannungsanteile in der Netzspannung und demgemäß sich daraus ergebende unterschiedliche Halbwellen-Dauern besser kompensieren zu können. Auf Basis der Abweichungen zwischen den im Voraus berechneten und den danach gemessenen Zeitpunkten der Nulldurchgänge wird die Dauer der jeweils übernächsten Halbwelle, also der nächsten positiven Halbwelle bzw. der nächsten negativen Halbwelle, und damit auch der jeweils übernächste Nulldurchgang (von positiv auf negativ bzw. von negativ auf positiv) vorausberechnet. Dies kann beispielsweise wie folgt geschehen:
Es sei angenommen, dass am Anfang der n-ten positiven Halbwelle der Nulldurchgangs-Zeitpunkt mit Tpι (n) gemessen wird, wobei dieser Nulldurchgangs-Zeitpunkt zuvor mit Tpo (n) im Voraus berechnet wurde. Die Abweichung ΔTp (n) zwischen dem gemessenen und dem berechneten Nulldurchgang wird demgemäß wie folgt ermittelt:
ΔTp(n)=Tp. (n)-Tpo (n)
Der nächste (der (n+1) -te) Nulldurchgang am Anfang der nächsten negativen Halbwelle ergibt sich daher rechnerisch wie folgt:
Tno (n+l)=Tpι (n)+ΔTp(n)/2+tp(n)
Dabei wird mit tp(n) die Dauer der vorhergehenden (n-ten) positiven Halbwelle bezeichnet.
In entsprechender Weise wird die Dauer der nächsten negativen Halbwelle mit tn(n+l) bezeichnet, und diese kann wie folgt berechnet werden: tn(n+l)=tn(n-l)+ΔTp(n)/8
Am Anfang der darauffolgenden (n+l)-ten negativen Halbwelle wird der Zeitpunkt des Nulldurchgangs Tnι (n+1) gemessen, und es werden daraus die neuen Werte wie folgt berechnet :
ΔTn(n+l)=Tnι (n+1) -Tno (n+1) ... Abweichung zwischen dem gemessenen und dem berechneten Nulldurchgang am Anfang der nächsten negativen Halbwelle
Tpo (n+2)=Tnι (n+1) +ΔTn(n+l) /2+tn(n+l) ... nächster Nulldurchgang am Anfang der positiven Halbwelle tp (n+2) =tp(n) +ΔTn(n+l) /8... Dauer der nächsten positiven
Halbwelle .
Bei der vorstehenden Darstellung wurde der Index p für positive Halbwellen, der Index n für negative Halbwellen, der Index 0 für berechnete Werte und der Index 1 für gemessene Werte verwendet. Weiters wird mit n-1, n, n+1 und n+2 auf die aufeinanderfolgenden positiven (n, n+2... ) und negativen (n-1, n+1...) Halbwellen hingewiesen.
Anhand der Fig. 5 und 6 soll nun eine Möglichkeit zur zusätzlichen Reduktion der an sich schon geringen Verlustleistung der vorliegenden Steuereinrichtung 1 erläutert werden. Dabei wird ein im Wesentlichen gleichzeitiges Ansteuern jeweils beider MOSFET-Halbleiterschalter 2, 3 in den beiden Halbwellen vorgesehen, so dass der Hauptstrom im jeweils anderen Halbleiterschalter 3 bzw. 2 anstatt nur über die Revers-Diode 20 bzw. 19 über diese und über den durchgesteuerten Kanal des ansonsten in Sperrrichtung gepolten MOSFETs 3 bzw. 2 fließt, wodurch der Spannungsabfall an diesem MOSFET 3 bzw. 2 erheblich reduziert wird.
Beispielsweise nimmt das Diagramm von Fig. 5 auf die Phasenabschnittsteuerung Bezug, vgl. auch die vorstehend erläuterte Fig. 3, wobei ersichtlich ist, dass nunmehr in der obersten Diagrammzeile zwischen den AufSteuerimpulsen UPI während der positiven Halbwellen für den einen, in Fig. 1 und 2 oberen MOSFET-Halbleiterschalter 2 zusätzlich während der negativen Halbwellen AufSteuerimpulse (bei 31 angedeutet) eingefügt sind. In entsprechender Weise sind für den anderen Halbleiterschalter 3 zwischen dessen eigentlichen AufSteuerimpulsen UP2 zusätzlich bei 32 während der positiven Halbwellen AufSteuerimpulse eingefügt.
Diese zusätzlichen AufSteuerimpulse 31 bzw. 32 dürfen, um den vorstehend anhand der Fig. 3 und 4 erläuterten Vorteil des exakten Schaltens im Nulldurchgang nicht wieder zu verlieren, jeweils erst kurz nach dem jeweiligen Nulldurchgang angelegt werden, d.h. also mit einer Verzögerung von z.B. ungefähr 300 μs bis 500 μs nach der ansteigenden Flanke von U22 bzw. U21 in Fig. 3, entsprechend den ansteigenden Flanken der AufSteuerimpulse UPI bzw. UP2 vor dem jeweiligen Nulldurchgang, wie bei 23 bzw. 24 gezeigt.
In der unteren Diagrammzeile von Fig. 5 ist jeweils abwech-
selnd der Spannungsabfall ΔU am jeweils anderen Halbleiterschalter 3 bzw. 2 veranschaulicht, wobei die obere Kurve die Situation ohne Verlustleistungsreduktion (also ohne die eingefügten Impulse 32 bzw. 31) und die untere Kurve die Situation bei Aufsteuerung des jeweils anderen Halbleiterschalters 3 bzw. 2 zeigt. Wie ersichtlich ist dabei am Beginn eines jeden Durchschaltens kurzzeitig der Spannungsabfall ΔU noch relativ hoch, nämlich gleich dem an sich gegebenen Spannungsabfall, und er fällt dann sofort mit dem Durchschalten des jeweils anderen Halbleiterschalters 3 bzw. 2 auf die untere Kurve 2 ab .
In Fig. 6 ist in vergleichbarer Weise die Situation für den Fall einer Phasenanschnittsteuerung gezeigt, wobei hier der Vergleich zum Diagramm gemäß Fig. 4 anzustellen ist. Auch hier werden wiederum zusätzliche AufSteuerimpulse für den jeweils anderen Halbleiterschalter eingefügt, wie für UPI bei 33 und für UP2 bei 34 veranschaulicht ist; diese gesonderten AufSteuerimpulse sind kürzer als die AufSteuerimpulse für den jeweils einen Halbleiterschalter, vgl. die abfallenden Flanken 29 bzw. 30 der jeweils "aktiven" AufSteuerimpulse UPI bzw. UP2. Die zusätzlich eingefügten AufSteuerimpulse müssen hier somit vor dem jeweiligen Nulldurchgang beendet werden, um so den erwähnten Vorteil des exakten Schaltens im Nulldurchgang beizubehalten.
In der unteren Diagrammzeile ΔU der Fig. 6 ist wiederum der Spannungsabfall am jeweiligen Halbleiterschalter 3 bzw. 2 einmal für den Fall ohne Verlustleistungsreduktion (d.h. ohne Einfügung der zusätzlichen Impulse 34 bzw. 33; obere Kurve) bzw. für den Fall der zusätzlichen Aufsteuerung des jeweils anderen Halbleiterschalters (untere Kurve in der Zeile ΔU von Fig. 6) gezeigt.
Da mit der vorstehend anhand der Fig. 4 beschriebenen "Detektion" der Nulldurchgänge im Phasenanschnitt erst im Nachhinein der jeweilige Nulldurchgang erkannt wird, muss der Zeitpunkt des Nulldurchgangs im Fall der Fig. 6 wiederum im Voraus zumindest ungefähr ermittelt werden, wozu die vorstehend erläuterte Berechnung für die in der Untereinheit 25 des μP7 realisierte PLL-Schaltung verwendet werden kann. Eine einfachere Variante bestünde auch darin, jeweils die Dauer der vorhergegangenen positiven Netzhalbwelle in der μP-Steuereinheit 7,
z.B. mittels eines Timers, zu messen, wonach diese Dauer, abzüglich eines Werts für die schwellenwertabhängige Verzögerung (z.B. 250 μs) , zur vorhergegangenen negativen Flanke des Ausgangssignals U22 bzw. U21 des jeweiligen Komparators 22 bzw. 21 hinzuaddiert wird.
Anhand der Fig. 7 bis 9 soll nun abschließend noch die bei der vorliegenden Steuereinrichtung 1 in vorteilhafter Weise gegebene Möglichkeit der Korrektur unterschiedlicher Flankensteilheiten im Lastström im Phasenanschnitt einerseits bzw. Phasenabschnitt andererseits erläutert werden. Üblicherweise werden die Gate-Anschlüsse der MOSFET-Halbleiterschalter 2, 3 mit TTL-Pegeln angesteuert, wobei sich durch die Prozessbedingten Gate-Kapazitäten im Phasenanschnitt bzw. Phasenabschnitt unterschiedliche Flankensteilheiten der Anschnittflanken bzw. Abschnittflanken ergeben. Diese unterschiedlichen Steilheiten bzw. Dauern der Phasenanschnittflanken (Fig. 7a) und Phasenabschnittflanken (Fig. 7b) sind in den Diagrammen von Fig. 7 einander gegenübergestellt, wobei jeweils in der oberen Hälfte des Diagramms der Ein- bzw. Abschaltimpuls (vgl. UPI oder UP2 in Fig. 4 bzw. in Fig. 3) , was die Einschaltflanke bzw. Abschalt- flanke anlangt, gezeigt ist, wogegen in den unteren Teilen der Diagramme von Fig. 7a und 7b die Flanken des Laststroms I im Phasenanschnitt bzw. Phasenabschnitt veranschaulicht sind. Dabei ist eine vergleichbare Zeitskala verwendet, und es ist ersichtlich, dass die Anschnittflanke (Fig. 7a) des Laststroms I ungefähr dreimal so lange ist wie die Abschnittflanke (Fig. 7b) . Im Einzelnen ist dieser Unterschied abhängig von den jeweils verwendeten MOSFETs 2, 3, er liegt jedoch in der angegebenen Größenordnung, und dieser Unterschied kann zu erheblichen EMV- Problemen - vor allem zufolge der steilen Abschnittflanke - oder, bei Verlängerung der Flanken durch Erhöhung der Gate- Widerstände, wie an sich bekannt, zu einer größeren Verlustleistung führen.
Um daher die Schaltflanken hinsichtlich Steilheit bzw. Dauer aneinander anzupassen, sind in der vorliegenden Steuereinrichtung 1 ergänzende Schaltungsmaßnahmen zweckmäßig und in vorteilhafter Weise möglich, und diese sind in Fig. 8 in einem Detail-Schaltbild (unter Weglassung von hier nicht wesentlichen Schaltungsdetails; vgl. aber Fig.l und 2) veranschaulicht. Es
wird dabei die Ansteuerschaltung etwas modifiziert, um die Flankensteilheiten selektiv zu ändern, so dass sie im Phasenanschnitt und Phasenabschnitt ungefähr gleich groß sind. Dies wird im vorliegenden Beispiel dadurch bewerkstelligt, dass beim Phasenabschnitt (s. Fig. 7b) die Abschnittflanke in ihrer Dauer durch Vorsehen eines im Vergleich zum Phasenanschnitt größeren Gate-Vorwiderstandes verlängert wird.
Im Einzelnen wird gemäß Fig.8 zwischen Gate-Ansteuer-Ports Pl und P2 der μP-Steuereinheit 7 ein zusätzlicher Widerstand R3 eingefügt. Durch geeignete Ansteuerung der Port-Pins Pl, P2 der μP-Steuereinheit 7 kann nun im Phasenabschnitt der Widerstand Rl (bzw. R2) allein als Gate-Vorwiderstand wirksam werden, jedoch wird im Phasenabschnitt die Serienschaltung aus R1+R3 (bzw. R2+R3) wirksam. Dabei bleibt im Phasenanschnitt die Ansteuerung unverändert wie vorstehend erläutert . Im Phasenabschnitt wird jedoch nunmehr in der positiven Halbwelle der Prozessor-Port Pl als "Eingang" konfiguriert und damit hochohmig, und gleichzeitig wird der Ausgang P2 auf ein niedriges Potential gelegt. Dadurch wird beim Aufsteuern des MOSFET-Halbleiterschalters 2 die Serienschaltung der Widerstände Rl und R3 als Gate-Vorwiderstand wirksam. Entsprechendes gilt für die Ansteuerung des anderen MOSFET-Halbleiterschalters 3, wo dann für die Abschnittflanke die Serienschaltung der Widerstände R2 und R3 als Gate-Vorwiderstand wirksam wird.
Nach Ende der jeweiligen Abschnittflanke (ca. 100 μs bis 200 μs nach Ansteuerung des jeweiligen Ports Pl bzw. P2) kann auch der Port Pl (bzw. P2) wieder als Ausgang konfiguriert und auf niedriges Potential gelegt werden.
Diese Situation ist in den Diagrammen von Fig. 9 veranschaulicht, wobei Fig. 9a die nicht geänderte Situation im Phasenanschnittverfahren und Fig. 9b die mit der modifizierten Schaltung wie vorstehend beschrieben geänderte Situation im Phasenabschnitt zeigt. Dabei ist in den beiden Diagrammen von Fig. 9a und 9b jeweils oben die Spannung UPI am Port Pl, in der Mitte die Spannung UP2 am Port P2 und unten der Laststrom I veranschaulicht. Fig. 9 zeigt somit die Situation des Phasenabschnitts an dem einen MOSFET-Halbleiterschalter 2, d.h. die Ansteuerung während der positiven Halbwelle. In entsprechender Weise erfolgt die Ansteuerung in der negativen Halbwelle, wobei
sich eine Erläuterung im Detail erübrigt.
Aus Fig. 9a und 9b ist ersichtlich, dass die Anschnittflanke des Laststroms (Fig. 9a) und die Abschnittflanke (Fig. 9b) ungefähr gleiche Dauern haben bzw. entsprechende Steilheiten besitzen.
In Fig. 8 sind weiters zusätzliche Gate-Kapazitäten Cl, C2 dargestellt, die mit den Symmetriepunkt ("0") zwischen den Halbleiterschaltern 2, 3 bzw. mit den Gate-Anschlüssen der Halbleiterschalter 2, 3 verbunden sind. Mit diesen zusätzlichen Gate-Kapazitäten Cl, C2, die wesentlich größer sind als die Eingangskapazitäten der MOSFETs 2, 3, kann die Streuung der Eingangskapazitäten der MOSFET-Halbleiterschalter 2, 3 unwirksam gemacht werden, um eine noch bessere Anpassung der Flanken des Laststromes I zu erzielen.
Die Ansteuerspannungen UPI und UP2 für die MOSFET-Halbleiterschalter 2, 3 können beispielsweise in der Größenordnung von 5 V liegen, wobei sich gerade bei derart niedrigen Ansteuerspannungen an sich die in Fig. 7 gezeigten unterschiedlichen Flankensteilheiten beim Einschalten bzw. Ausschalten der Halbleiterschalter 2, 3 ergeben würden.