DE1613539C - Schaltungsanordnung zur symmetrischen Phasenanschnittsteuerung eines wechselstromgespeisten Verbrauchers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur symmetrischen Phasenanschnittsteuerung eines wechselstromgespeisten Verbrauchers mit einer in Reihe mit dem Verbraucher liegenden, die positive und die negative Halbwelle des Wechselstromes mit Phasenanschnitl schaltenden Schaltanordnung mit Thyristorverhalten und einem mit Wechselspannung gespeisten ÄC'-Zeitkrcis, der in Verbindung mit einem Zweirichtungs-Schwellwertschalter den symmetrischen Pliascnanschnitt der positiven und negativen Halbwelle des Wechselstromes für die Schalteranordnung bestimmt.

Eine derartige Schaltungsanordnung zu^r Steuerung der Leistung von wechselstromgespcisten Verbrauchern mit Thyristor-Schaltelementen und Phasenanschnittsteuerung ist bereits bekannt (Zeilschrift »Proceedings of the IEEE, April 1965, S. 364, 365). Halbleiterbauelemente besitzen den Nachteil, daß sie bezüglich ihrer Eigenschaft bei Serienproduktion Abweichungen aufweisen. So zünden z. B. als Schalterelemente verwendete Thyristoren mit ungleicher Zeitverzögerung. Dadurch wird die Stromflußdauer für

die positive und negative Wechsclstromhalbweile verschieden, und dem Verbraucher wird eine Spannung zugeführt, die neben der Grundfrequenz und den zugehörigen Oberwellen auch nodi einen Gleichspannungsanleil enthält. Dieser Gleichspannungsanteil ist für viele Anwendungsgebiete nicht erwünscht. Insbesondere nicht, wenn die Verbraucher im wesentlichen induktive Verbraucher, wie z. ß. Transformatoren, Leuchtstofflampen mit Vorschalldrosseln usw., sind. Größere Gleichspannungsanteilc führen zur Zerstörung solcher induktiver Verbraucher bzw. bei Beleuchtungsanlagen mit induktiven Vorschaltgeräten zu Flackererscheinungen, insbesondere dann, wenn diese Beleuchtungsgeräle helligkeitsgesteuert sind. Bei der bekannten Schaltung müßte zum Zwecke der Symmetrierung eine entsprechende .-Auswahl von Halbleiterbauelementen mit möglichst gleicher Charakteristik vorgenommen werden, was zeitraubend und umständlich ist.

Grundsätzlich ist es bei Wechselrichtern bereits bekannt, den Gleichspannungsanteil in der Ausgangs-Wechselspannung dadurch zu beseitigen, daß die Spannungszeitflächen jeder Halbwolle miteinander verglichen werden und an Hand der Zündzeilpunkte an den Wechselrichtcrventilcn auf Gleichheit geregelt wird (BBC-Nachrichten, Dezember 1964, S. 632). Weitere Einzelheiten der verwendeten Schaltungsanordnung sind nicht bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur symmetrischen Phaseneinschnittsteuerung eines wechselstromgespeistcn Verbrauchers zu schaffen, die in einfachster und billigster Weise einen durch Unsymmetrie auftretenden Gleichspannungsanfeil in der Speisespannung für den Verbraucher möglichst beseitigt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe bei einer Anordnung der eingangs genannten Art dadurch, daß dem Verbraucherkreis ein den bei Unsymmetrie auftretenden Gleichspannungsanteil ausfiltenides Filternel/weik zugeschaltet ist und daß der ftC-Zcitkreis einen in der einen Stromrichtung leitfähigen steuerbaren Halbleiterwiderstand und parallel zu diesem Halbleiterwiderstand entweder einen vcileren, in der anderen Stromrichlung leilfähigen steuerbaren Halbleiterwiderstand oder die Reihenschaltung einer in der anderen Stromrichtun^ leitfähigen Diode und eines nicht steuerbaren Widerslands enthält und die steuerbaren Halbleiterwiderstände bzw. der steuerbare Halbleiterwidersland vom Filtcrnetzwcik derart angesteuert sind, daß sie bzw. er die Zündzeitpunkte der Schalteranordnung mit Thyristorvorhallen im Sinne eines Nullwerdcns des Glcicbspannungsanleils verändern.

Die Erfindung löst die genannte Aufgabe auf einem anderen Weg auch dadurch, daß dem Vcrbraueherkrcis ein den bei Unsymmetrie auftretenden Glcichspannungsantcil ausfilterndes Filternetzwerk zugeschaltet ist und daß als Zweinclilungs-SehwclKvcrtschaltcr ein Halbleiterschalter mit steuerbarer Diirchbruchsspannung verwendet und vom Fillernctzwerk derart angesteuert ist, daß er die Zündzeitpunkte da Schalteranordnung mit Thyristorverhallen im Sinne eines Nullwerdcns des Glcichspannungsantcils verändert.

Vorzugsweise ist das Filternetzwerk ein RC- oder LC-Glied.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Filternetzwerk parallel zu dem Verbraucher oder /u der Schalteranordnung mit Thyristorverhalten geschaltet Bei einer Schaltungsanordnung mit zwei steuerbaren Halbleiterwiderständen liegen nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die steuerbaren

Halbleiterwiderstände parallel zum Kondensator des RC-Zeitkreises, und in Reihe zu jedem Halbleiterwiderstand ist eine Diode angeordnet, die zueinander entgegengerichtet gepolt sind.

Bei einer Schaltungsanordnung mit zwei steuer-

baren Halbleiterwiderständen können nach einer Ausgestaltung der Erfindung als steuerbare Halbleiterwiderstände komplementäre Flächentransistoren verwendet werden, deren Basen miteinander und mit dem Filternetzwerk verbunden sind und die Kollektoren über die Dioden mit dem einen Anschluß des Kondensators des RC-Zeitkreises und die Emitter mit dem anderen Anschluß des Kondensators verbunden werden.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung

so können als steuerbare Halbleiterwiderständc Feldeffekttransistoren verwendet werden, deren Gitter miteinander und mit dem Filternetzwerk να uindcn sind, während die Drain-Elektroden über entgegengerichtet geschaltete Dioden an den einen Anschluß des Kon-

densators des RC-Zeitkreises und die Source-Elektrodcn miteinander an die Speisespannung dieses Kondensators angeschlossen sind.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind zur Beseitigung der Restladung des Konden-

sators des RC-Zeitkreises im Bereich des Nulldurchgangs der Wechselspannung zum Kondensator zwei Parallclkreisc geschaltet, von denen jeder zwei entgegengesetzt in Reihe geschaltete Dioden besitzt, wobei die Dioden des einen Kreises zu denen des anderen entgegengerichtet geschaltet sind, und beide Kreise sind über Vorwidersländc an die Speiscwechselstromquelle angeschlossen.

Die Erfindung wird an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbcispielen näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Schaltscbema einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung mit zwei Flächentransistoren als steuerbare Halbleilerwidersiände,

F i g. 2 ein Schallschema einer geänderten Schal-Uingsanordnung, bei der lediglich ein einziger steuerbarer Halbleiterwiderstand, und zwar ein Flächentransistor vorgesehen ist,

F i g. 3 ein Schallschema einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung mit Feldeffekttransistoren als steuerbare Halbleiterwiderstände und

F i g. 4 ein Schaltsehema einer weiteren Schaltungsanordnung, bei der die Durchbruchsspannung eines Zweiwcg-Schwellwertschallers verändert wird, der den Zündzeitpunkt der Thyristoren bestimmt.

Nach F i g. 1 liegt an den Klemmen 1, 2 die Netzwechselspannung U an. Als Schaltanordnung mit Thyii-lorverhalten dienen zwei antiparallelgeschaltete Thyristoren 3, 4 und sind in Reihe mit einem Verbrauchers an die Netzwcchsclspannungsklemmen 1,2

angeschlossen. Die Kathoden und die Gitter der Thyristoren 3, 4 sind an die Sekundärwicklungen 6, 7 eines Zündtransformator 8 angeschlossen, dessen Primärwicklung 9 in Reihe mit einer den Zwcirichtungs-Scliwellwertschaller darstellenden doppelseitig zündbaren Triggerdiode 10 parallel zu dem Kondensator 11 eines RC-Zeilkreises liegt. In Reihe mit dem Kondensator Il liegt ein Potentiometer 12, und der so gebildete ftC'-Zcilkrcis ist über einen Ohmschen

Vorwiderstand 13 an die Nctzwcchselspannungsklemmen 1, 2 angeschlossen. Parallel zu dem ÄC-Zcilkreis liegt ein spannungsabhängiger Widersland (VDR) 14, der eine annähernd rechteckförmige Spannung an dem /?C-Zeilkrcis entstehen läßt. Dadurch wird eine weitgehende Linearität des Regelbereiches (Effektivspannung am Verbrauchers soll annähernd proportional zum Drehwinkel des Potentiometers 12 sein) erreicht. 1st der Kondensator 11 bei der negativen oder positiven Halbwclle auf die Zündspannung der Triggerdiode 10 aufgeladen, zündet diese durch, und der entsprechende Thyristor 3 oder 4 erhält über den Zündtransformator 8 einen Zündimpuls, der das Durchzünden dieses Thyristors bewirkt, wodurch der Verbraucher 5 mit der entsprechenden Wechselstromhalbwelle gespeist wird. Jc nach Stellung des Potentiometers 12 wird die Zündspannung der Triggerdiode am Kondensator 12 früher oder später erreicht, wodurch schließlich die Thyristoren 3, 4 die Spannung am Verbraucher 5 durch Phasenanschnitt steuert. ao

Die Kennlinien der Triggerdiode 10, der Thyristoren 3, 4 des VDR-Widerstandes 14 sind im allgemeinen unsymmetrisch, was zu einer Speisung des Verbrauchers 5 mit einem Gleichstromanteil führt. Der aus zwei /?C-Gliedern 15, 16 und 17, 18 gebildete Tiefpaß läßt am Kondensator 18 nur noch den Gleichspannungsantcil erscheinen. Dieser wird gleichzeitig den Basen zweier als steuerbare Halbleiterwiderstände dienender komplementärer Transistoren 19, 20 zugeführt, wobei je nach Betrag und Vorzeichen der am Kondensator 18 anliegenden Gleichspannung einer der beiden Transistoren 19, 20 mehr oder weniger leitend wird. Liegt beispielsweise am Verbraucher gegenüber der Klemme 2 eine zeillich veränderbare Spannung an, bei der der Stromflußwinkel des Thyristors 3 großer ist als der des Thyristors 4, so wird sich am Kondensator 18 nach einigen Perioden eine negative Spannung gegenüber der Klemme 2 ausbilden, die gleichzeitig an den Basen der Transistoren 19, 20 anliegt. Während eine negative Spannung den Transistor 20 sperrt, wird der Transistor 19 leitend, und zwar dann, wenn sein Kollektor gegenüber der Klemme 2 ebenfalls negativ ist. Der Aufladevorgang des Kondensators 11, der zur Zündung der Triggerdiode 10 führt, wird also während der negativen Sinushalbwelle verlangsamt, da ein Teil des über den Widerstand 13 und das Potentiometer 12 fließenden Stromes über den Transistor 19 und die Diode 21 abgeleitet wird. Die Folge ist ein späterer Zündeinsalz des Thyristors 3 und eine Verringerung des Gleich-Spannungsanteils am Verbraucher 5. Die Dioden 21 und 22 dienen dazu, um z. B. bei positivem Kondensatorpotential (Kondensator 11 gegenüber Klemme 2) den Abfluß des Stromes über die Kollektor-Basis-Diode des Transistors 19 und die Basis-Emilter-Diode des Transistors 20 (beide in Durchlaßrichtung) zu vermeiden.

Zur Beseitigung der Restladung des Kondensators 11 und damit zur Synchronisation dient weiter ein aus den Dioden 23, 26 und 25, 27 sowie den zwei Widerständen 28, 29 bestehendes Netzwerk. Dieses Netzwerk entlädt zu Beginn jeder neuen Sinushalbwelle den Kondensator 11 schlagartig. Die Wirkungsweise ist folgende: Nach einer negativen Halbwelle (Augenblickswert der Spannung an Klemme 1 gegen-Ober Klemme 2 ist negativ) ist der Kondensator 11 bezüglich Klemme 2 ebenfalls negativ aufgeladen. Folgt daraufhin die positive Halbwelle, so fließt ein Strom über den Widerstand 28 und die Diode 23. Da an der Diode 23 kein nennenswerter Spannungsabfall entsteht, licgl das Potential der Verbindungslcitung 30 zwischen dem Widersland 28 und der Diode 23 ungefähr auf gleichem Potential wie die Klemme 2. Der gegenüber der Klemme 2 negativ aufgeladene Kondensator 11 kann sich nun über die Dioden 23 und 26 entladen. Da der Entladcslrom die Diode 23 in Sperrichlung durchfließt, kann dieser Strom nicht größer sein als der die Diode 23 in Durchlaßrichtung durchfließende Strom über den Widerstand 28. Die Diode 26 kommt ins Sperren, sobald sich der Kondensator 11 über den Widerstand 13 und das Potentiometer 12 positiv aufzuladen beginnt. Die Diode 27 war während des ganzen Vorgangs gesperrt; sie wird leitend, wenn bei negativer Sinushalbwcile der positive Kondensator 11 entladen wird.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 stimmt mit derjenigen nach Fig. 1 weilgehcndst überein. Abweichend ist lediglich, daß der Transistor 20 in F i g. 1 durch einen Festwiderstand 31 ersetzt worden ist. Hierdurch wird eine künstliche Unsymmetrie geschaffen, die es erlaubt, einen Transistor einzusparen.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 sind anstatt der Flächentransistoren nach Fig. I und 2 Feldeffekttransistoren 32, 33 verwendet. An den Nct?- wechselspannungsklemmen 1. 2 liegen in Reihe wiederum die antiparallelgcschallclcn Thyristoren 3, 4 mil dem Verbraucher 5. Der Spannungsteiler, bestehend aus dem Widerstand 13 und dem VDR-Widerstand 14, liefert die Spannung für die Aufladung des Kondensators 11 über das Potentiometer 12. Nach Erreichen der Durchbruchsspannung der Triggerdiode 10 entlädt sich der Kondensator 11 über den Transformator 8 und zündet abwechselnd die Thyristoren 3 und 4. Eine Synchronisation durch das Diodennetzwerk nach Fig. 1 ist in dieser Schaltungsanordnung nicht nötig, da an dem Spannungsteiler, der aus den Widerständen 13 und 14 besteht, nur dann eine Spannnung anliegt, wenn die Thyristoren 3 und 4 sperren. Erst dann kann der Aufladevorgang des Kondensators 11 beginnen. Die Symmetrierung geschieht mil Hilfe der zwei Feldeffekttransistoren 32, und 33, und zwar einem p-Kanal-FET 32 und einem n-Kanal-IET 33. Feldeffekttransistoren haben die Eigenschaft, daß sich ihre Leitfähigkeil durch Anlegen einer Spannung an das Gitter verringert. Sie liegen infolgedessen im Stromkreis, der den Aufladevorgang für den Kondensator 11 bestimmt. Während in den F i g. 1 und 2 die stationäre Spannung am Kondensator, die sich für t _► 00 ohne Triggerdiode ausbilden würde, verändert wurde, wird hier nach F i g. 3 der Aufladcstrom beeinflußt. Schließlich liegt nach dieser Schaltungsanordnung das Filternetzwerk zum Ausfiltern des Glcichslromteilcs parallel zu den Transistoren 3, 4. Die Wirkungsweise ist folgende: Wird der Verbraucher 5 von einem phasenangeschnittenen Wechselstrom durchflossen, bei dem der Stromflußwinkel des Thyristors 4 größer ist als bei dem Thyristor 3, dann erscheint am Kondensator 18 der Siebkette 15, 16, 17 und 18 eine positive Gleichspannung. Da diese positive Spannung auch am Gitter des Feldeffekttransistors 32 anliegt, verringert dieser seine Leitfähigkeit und bewirkt damit in der negativen Halbwelle eine spätere Thyristorzündung. Dadurch wird der Gleichspannungsanteil am Verbraucher 5 verringert. Die Dioden 34, 35 sind bei Sperrschicht-FETs notwendig, sie sind bei MOSFETs, die ein

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isoliertes Gitter besitzen, überflüssig. Die Dioden 21, 22 werden wieder gebraucht, wie in den F i g. 1 und 2, um den positiven und negativen Aufladcvorgang zu trennen.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 4, die im wesentlichen nach derjenigen nach F i g. 1 aufgebaut ist, geschieht die Symmetrierung nicht dadurch, daß der Aufladevorgang des Kondensators 11 beeinflußt wird, sondern durch Veränderung der Durchbruchsspannung des Schwellwertschalter 35. Dieser Schwellwertschalter, z. B. »Silicon Bilateral Switch (SBS)«, besitzt die Eigenschaft, daß seine Durchbruchsspan-

nung verringert werden kann, wenn das Gitter gegenüber Anode eine negative Spannung führt. Da da; Element symmetrisch aufgebaut ist, können bcid< Anschlüsse als Anode dienen. Durch den Widcrstanc 36 wird eine künstliche Unsymmetrie geschaffen, unc zwar zündet bei freiem Gitter stets die negative Halb welle früher. Am Kondensator? des Netzwerkes lieg dadurch immer eine negative Gleichspannung, di< über den Widersland 37 und die Diode 38 nunmehi ίο den Zündeinsatz der positiven Halbwellc beschleunigt Im eingeschwungenen Zustand ist dieGleichspannunj am Kondensator 7 sehr klein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur symmetrischen Phasenanschnittsteuerung eines wechselstromgespeisten Verbrauchers mit einer in Reihe mit dem Verbraucher liegenden, die positive und die negative Halbwelle des Wechselstromes mit Phasenanschnitt schaltenden Schalteranordnung mit Thyristorverhalten und einem mit Wechselspannung gespeisten ÄC-Zeitkreis, der in Verbindung mit einem Zweirichtungs-Schwellwertschalter den symmetrischen Phasenanschnitt der positiven und negativen Halbwelle des Wechselstromes für die Schalteranordnung bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verbraucherkreis (5; 3, 4) ein den bei Unsymmetrie auftretenden Gleichspannungsanteil ausfilterndes Filternetzwerk (15 bis 18) zugeschaltet ist und daß der ÄC-Zeitkreis (11 bis 14, 19 bis 22) einen in der einen Stromrichlung leitfähigen steuerbaren Halbleiterwiderstand (19; 32) und parallel zu diesem Halbleiterwiderstand entweder einen weiteren, in der anderen Slromrichtung leilfähigen steuerbaren Halbleiterwiderstand (20; 33) oder die Reihenschaltung einer in der anderen Stromrichtung leitfähigen Diode (22) und eines nicht steuerbaren Widerstands (31) enthält und die steuerbaren Halbleiterwiderslände (19, 20; 32, 33) bzw. der steuerbare Halbleiterwiderstand (19) vom Filternetzwerk (15 bis 18) derart angesteuert sind, daß sie bzw. er die Zündzeitpunktc der Schalteranordnung mit Thyristorverhaltui im Sinne eines Nullwerdens des Gleichspannungsantcüs verändern (Fig. 1 bis 3).

2. Schallungsanordnung zur symmetrischen Phasenanschnittsteuerung eines wechselstromgespeisten Verbrauchers mit einer in Reihe mit dem Verbraucher liegenden, die positive und die negative Halbwelle des Wechselstromes mit Phasenanschnitt schaltenden Schalteranordnung mit Thyristorverhalten und einem mit Wechselspannung gespeisten ΛΓ-Zeitkreis, der in Verbindung mit einem Zweirichtungs-Schwcllwerlschalter den symmetrischen Phasenanschnitt der positiven und negativen Halbwelle des Wechselstromes für die Schalteranordnung bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verbraucherkreis (5; 3, 4) ein den bei Unsymmetrie auftretenden Gleichspannungsanleil ausfilterndes Filternetzwerk (15 bis 18) zugeschaltet ist und daß als Zweirichtungs-Schwellwertschalter ein Halbleiterschalter (35) mit steuerbarer Durchbruchspannung verwendet und vom Filternetzwerk (15 bis 18) derart angesteuert ist, daß er die Zündzeitpunkte der Schalteranordnung mit Thyristorverhalten im Sinne eines Nullwerdcns des Gleichspannungsanteils verändert.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filternetzwerk (15 bis 18) ein RC- oder LC-Glied ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Filternetzwerk (15, 16, 17, 18) parallel zu dem Verbraucher (5) oder zu der Schalteranordnung (3, 4) mit Thyristorverhalten geschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 mit zwei steuerbaren Halbleiterwiderständen, dadurch

gekennzeichnet, daß die steuerbaren Halbleiterwiderstände (19, 20) parallel zum Kondensator (11) des /?C-Zeitkreises (11, 12) liegen und in Rejhe zu jedem Halbleiterwiderstand (19, 20) eine Diode (21, 22) angeordnet ist, die zueinander entgegengeiicbtet gepolt sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 mit zwei steuerbaren Halblciterwiderständen, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbare Halbleiterwiderstände komplementäre Flächentransistoren (19, 20) verwendet sind, deren Basen miteinander und mit dem Filternetzwerk (15 bis 18) verbunden sind, und daß die Kollektoren über die Dioden (21, 22) mit dem einen Anschluß des Kondensators (11) des flC-Zeitkreises (11, 12) und die Emitter mit dem anderen Anschluß dieses Kondensators verbunden sind.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch ! mit zwei steuerbaren Halbleiterwiderständen, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbare Hai blei lerwiderstände Feldeffekttransistoren (32, 33) verwendet sind, deren Gitter miteinander und mit dem Filternetzwerk (15 bis 18) verbunden sind, während die Drain-Elektroden über entgegengerichlet geschaltete Dioden (21, 22) an den einen Anschluß des Kondensators (11) des RC-Zcitkreises (11, 12) und die Source-Elektroden miteinander an die Speisespannung dieses Kondensators (11) angeschlossen sind.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beseitigung der Restladung des Kondensators (11) des ΛΓ-Zeitkreises im Bereich des Nulldurchgangs der Wechselspannung zum Kondensator zwei Parallelkreise (23 bis 27) geschaltet sind, von denen jeder zwei entgegengesetzt in Reihe geschaltete Dioden besitzt, wobei die Dioden des einen Kreises zu denen des anderen entgegengerichtet geschaltet sind, und daß beide Kreise über Vorwiderstände (28, 29) an die Speisewechselstromquelle angeschlossen sind.