DE69627894T2

DE69627894T2 - Triac-steuerungsschaltung

Info

Publication number: DE69627894T2
Application number: DE69627894T
Authority: DE
Inventors: W. Robert REDLICH
Original assignee: Sunpower Inc
Current assignee: Sunpower Inc
Priority date: 1995-05-31
Filing date: 1996-01-19
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2016-01-20
Also published as: DE69627894D1; BR9608885A; KR100292453B1; JPH11508067A; JP3751024B2; KR19990022077A; AU4900396A; EP0885415A1; EP0885415B1; US5592073A; WO1996038772A1; NZ302849A; AU709315B2; EP0885415A4

Description

Diese Erfindung betrifft einen elektronischen Schaltkreis zur Zündung eines Triac in einem steuerbaren, variablen Zündwinkel, im Anschluss an jeden Nulldurchgang der Signal- oder Wellenform eines Versorgungswechselstroms, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Desweiteren betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Steuerung eines Triac-Zündwinkels, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 12.
Triacs sind Halbleiterbauelemente, welche zur Steuerung der Leistung, die eine elektrische Last einer Wechselstromleitung entnimmt, genutzt werden. Diese befinden sich in vielen gängigen Anwendungen, wie z. B. Lichtdimmern und Geschwindigkeitsreglern von Motoren für Starkstromgeräte. Ein Triac ist praktisch eine Leerlaufschaltung, solange bis er einen Stromimpuls in seinem „Gate“-Anschluss empfängt, woraufhin er praktisch zu einem Kurzschluss solange wird, bis der Stromfluss zwischen seinen „Hauptanschlüssen“ Null erreicht, wobei er sich zu einer Leerlaufschaltung umkehrt.Er bleibt offen, bis ein weiterer Stromimpuls am Gate auftrifft.
Ist ein Triac zwischen einer elektrischen Last und einer Wechselstromleitung in Serie geschaltet, so ist die Last mit der Leitung verbunden, wenn der Triac einen Kurzschluss bildet. Während dem Teil des Zyklus, in dem der Triac im Leerlauf-Zustand ist, ist die Last praktisch von der Leitung getrennt. Ist die Last eine Art ohmscher Widerstand, erreicht der Triac den Leerlauf-Zustand, wenn Leitungsspannung und Laststrom beide den Wert Null haben. Für induktive Lasten, wie Motoren, erreicht der Strom den Nullwert zu einer festgelegten Zeit, nachdem die Netz- oder Leitungsspannung die Nulllinie durchlaufen hat. Aus diesem Grund ist es für ohmsche oder kombiniert ohmsche und induktive Lasten möglich, die Leistung an der Last durch zeitliches Steuern der Gate-Stromimpulse relativ zu den Nulldurchgängen der Wechselstromleitung, zu steuern.
Bei Lichtdimmern oder Geschwindigkeitsreglern von Starkstromgeräten wird die zeitliche Änderung des Gate-Impulses durch das manuelle Einstellen eines Potentiometers erreicht. Dennoch gibt es Triac-Anwendungen, wie automatische Steuerung eines Motors, bei welchen die zeitliche Änderung des Gate-Impulses mit Hilfe einer Steuerungsspannung erfolgen muss. Die vorliegende Erfindung, welche im Anspruch 1 definiert ist, ist ein kostengünstiger Schaltkreis für solche Anwendungen. Schaltkreise für denselben Zweck sind aus dem Stand der Technik bekannt, wie z. B. in Ramshaw R. S., „Power Electronics Semiconductor Switches“, Chapman and Hall 1993, auf Seite 198 nachzuschlagen ist. Jedoch bietet eine vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beträchtliche Einsparungen an Kosten sowie eine Reduzierung der Zahl der Einzelteile, wenn demnach, in Kombination mit weiterer Beschaltung, der weithin bekannte Timerbaustein 555 eingesetzt wird, welcher in einer einzelnen Billigpreisbaueinheit die meisten Schaltungsfunktionsblocks besitzt, die für das zeitliche Steuern eines Triac-Impulses in Abhängigkeit von einer Steuerungsspannung nötig sind.
Der Timer 555 wird in verschiedenen Fundstellen beschrieben, die in einem Disclosure Statement zitiert wurden. Der Timer wird von vielen wichtigen Halbleiterherstellern in den USA und Übersee produziert. Die Stücknummer des Timers 555 ist bei jedem Hersteller verschieden (z. B., LM555 (National Semiconductor), MC1555 (Motorola), CA555 (Harris Semiconductor), NE555 (Texas Instrument) ), jedoch sind alle Timer nominell identische Bausteine. Aus diesem Grund wird die Bezeichnung „Timer-Baustein 555“ benutzt, um einen Schaltkreis zu bezeichnen, welcher die gleichen Komponenten auf dem Blockdiagramm-Level besitzt, und nicht die Teile-Nummer des speziellen Schaltkreises. Timer 555 werden für in Massenproduktion hergestellte Schaltkreise; wie Zeitgeber für Kühlschrankentfrostungszyklen genutzt und sind deswegen ohne weiteres für geringen Kostenaufwand zu erhalten. Desweiteren sind mehrere Timer-Schaltkreise 555 auf einem einzigen Chip integriert, wie beim Timer 556, welcher zwei Timer 555 beinhaltet. Ein anderer Vorteil des 555-Timers in erfindungsgemäßen Anwendungen ist, dass der Schaltkreis als existierender Baustein relativ einfach in einen anwendungsspezifischen oder einen kundenbezogen fabrizierten, integrierten Schaltkreis eingearbeitet werden kann, in welchem er ein Teil eines integrierten Steuerungssystems wäre. Ein weiterer Vorteil ist die Fähigkeit des Ausgangskreises des 555, ausreichend Strom zu treiben oder zu ziehen, um große Triacs zu zündet.
US-A-S 194 782 offenbart eine Schaltung zum Dimmen einer Fluoreszenzlampe, welche aus einer Wechselstrom-Netzspannung versorgt wird. Diese Schaltung besitzt folgendes: Mittel zum Empfang eines Eingangsgleichspannungssignals, in einem Bereich, der linear auf den zu erzielenden Dimmerlevel bezogen ist; Mittel zum Vergleich des besagten Eingangsgleichspannungssignals mit einem Sägezahnsignal, welches Spannungsimpulse darstellt, die durch einen linearen Rampengenerator entstanden sind, wobei die Zähne des bereits erwähnten Sägezahnsignals mit den Halbwellen der Wechselstrom-Netzspannung korrespondieren und jedesmal, wenn eine Spannung auf einer Rampe besagten Sägezahnsignals und das besagte Eingangsgleichspannungssignal gleich sind, ein Gleichspannungs-Treibersignal erzeugt wird; das mit den Mitteln zum Empfang eines Eingangsgleichspannungssignals verbunden ist; und Mittel, um die Wechselstromleitung zur Fluoreszenzlampe jedesmal einzuschalten, wenn besagtes Gleichspannungs-Treibersignal erzeugt wird, und jedesmal danach, um die Wechselstromleitung zur Fluoreszenzlampe auszuschalten, sobald die Wechselspannung durch einen Nullpunkt einer sinusförmigen Welle läuft, welche die Wechselversorgungsspannung repräsentiert, welche mit den besagten Mitteln zum Vergleich und zur Erzeugung sowie mit der Spannung der Wechselstromleitung verbunden ist. Desweiteren offenbart US-A-5 194 782 ein Verfahren ebenfalls zur Dimmung einer Fluoreszenzlampe, welche durch die Spannung eines Wechselstromnetzes gespeist wird. Die Methode umfasst: Bereitstellung eines Gleichspannungs-Eingangssteuersignals, welches linear proportional zu einer gewünschten Dimmstärke ist; Vergleichen des besagten Signals mit einem Sägezahnsignal, welches die Spannungsimpulse- repräsentiert; die durch einen linearen Rampengenerator erzeugt werden, wobei die Zähne des Sägezahnsignals mit den Halbwellen der Spannung der Wechselstromleitung korrespondieren; und jedesmal Detektieren, wenn eine Spannung auf einer Rampe des erwähnten Sägezahnsignals gleich dem besagten Signal wird; und Einschalten der Wechselspannungsversorgung zu der Fluoreszenzlampe durch Zünden des Triacs, jedesmal, wenn die Übereinstimmung zwischen der besagten Spannung auf einer Rampe des besagten Sägezahnsignals und des bereits erwähnten Signals detektiert wird, und jedesmal danach Ausschalten der Spannung der Wechselstromleitung zu der Fluoreszenzlampe, wenn die Wechselpannung einen Nullpunkt eines sinusförmigen Signals durchläuft, welches die Spannung des Wechselstromnetzes repräsentiert.
Das Problem, welches der Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, ist eine Triac-Steuerung mit einer Beschattung zu schaffen, welche relativ wenige Schaltkreiskomponenten besitzt, so dass diese sehr kostengünstig gefertigt werden kann, und die meisten der Schaltkreise auf einem integrierten Schaltkreis untergebracht werden können: Zur Lösung dieses Problems wird ein Triac-Steuerungsschaltkreis mit den Merkmalen aus Anspruch 1, sowie ein Steuerungsverfahren für die Zündwinkel des Triacs mit den Merkmalen aus Anspruch 12 vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
Folglich besteht die Erfindung aus einem Triac-Steuerungsschaltkreis zur Erzeugung von Triac-Zündimpulsen, welche durch ein Zeitintervall gleich einer Halbwelle einer Wechselstromnetz-Signalform voneinander getrennt sind. Das Zeitintervall zwischen dem Nulldurchgang des Wechselstromsignals und dem nächster Triac Zündimpuls lässt sich durch den Größenbetrag eures Steuerungssignals steuern. Ein Schaltkreis mit einem Triggerimpulsgenerator ist über seinen Eingang mit der Wechselstromleitung verbunden und erzeugt bei jedem Nulldurchgang der Wechselstromleitung einen Impuls am Ausgang des Triggerimpulsgenerators. Ein einstellbarerer Schaltkreis zur Erzeugung eines Einzelimpulses ist über seinen Triggereingang mit dem Ausgang des Triggerimpulsgenerators verbunden und erzeugt einen rechteckigen Impuls am Ausgang für Einzelimpulse, was durch den Impuls des Schaltkreises zur Erzeugung eines Triggerimpulses initiiert wird. Der rechteckige Impuls endet nach einem Zeitintervall, welches durch den Größenbetrag des Steuerungssignals kontrolliert wird, das am Steuerungseingang des Schaltkreises zur Erzeugung eines einmaligen Impulses anliegt. Ein Schaltkreis zur Impulsformung ist mit dem Ausgang des Schaltkreises zur Erzeugung eines einmaligen Impulses verbunden und beinhaltet ein Hochpassfilter und eine Diode. Dieser impulsformende Schaltkreis formt einen Triac-Zündimpuls am Ende des rechteckigen Impulses.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm der elementaren Komponenten der Erfindung.
2 ist ein detaillierteres Blockdiagramm der Erfindung. Die Anschlüsse VCC, Control, Trigger, out, threshold, discharge und ground sind mit denselben Bezeichnungen versehen, wie die Anschlüsse des käuflich erhältlichen Timer-Schaltkreises 555. Die Blöcke „erster Komparator“, „zweiter Komparator“, „Flip Flop“, „Inverter“ und „elektronischer Schalter“ sind alles Subschaltkreise des 555-Timers. Die drei Widerstände sind ebenfalls Teil des integrierten Schaltkreises 555.
3 ist eine Serie von Oszillogrammen, welche Signalformen von Spannung und Strom an signifikanten Stellen des Schaltkreises aus 1 zeigen:
4 und 5 zeigen spezifische Schaltkreise, von denen jeder für den funktionalen Block „Triggerimpulsgenerator“ aus 1 genutzt werden kann.
6 ist eine Serie von Oszillogrammen, welche Spannungs-Signalformen an signifikanten Stellen der Schaltkreise aus 4 und 5 zeigt.
7 ist eine spezifische Schaltung, welche für den funktionellen Block „Impulsformer-Schaltkreis“ genutzt werden kann.
Zur Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, welche in den Zeichnungen dargestellt ist, wird um der Klarheit willen spezifische Terminologie verwendet. Dennoch ist nicht vorgesehen, dass die Erfindung auf die hier ausgewählten, spezifischen Terme beschränkt ist und es muss so verstanden werden, dass jeder spezifische Term alle technischen Äquivalente beinhaltet, welche auf ähnliche Weise funktionieren, um einen ähnlichen Zweck zu erfüllen. Z. B. wird der Ausdruck „verbunden mit“ oder ähnliche Ausdrücke oft verwendet. Diese beschränken sich nicht auf eine direkte Verbindung, sondern umfassen auch Verbindungen durch andere Schaltkreiselemente hindurch, wo eine solche Verbindung von entsprechenden Fachleuten als äquivalent erkannt wird. Zusätzlich sind viele Schaltkreise derart illustriert, dass elektronische Signale in bekannter Weise verarbeitet werden. Entsprechende Fachleute werden feststellen, dass es etliche, und in Zukunft vielleicht noch mehr, alternative Schaltkreise gibt, welche als äquivalent eingestuft werden, weil sie die Signale in gleicher Weise verarbeiten.
Detaillierte Beschreibung
1 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm, welches die wichtigsten Komponenten der Erfindung enthält. Eine Wechselstromenergiequelle 2, z. B. eine Service-Leitung eines kommerziellen Energieanbieters, ist mit einem Schaltkreis mit einem Tiggerimpulsgenerator 3 verbunden. Der Schaltkeis mit dem Triggerimpulsgenerator 3 erzeugt bei jedem Nulldurchgang des Signals der Wechselstromleitung der Quelle 2 einen Impuls an seinem Ausgang: Der Ausgang des Trigger-Impulsgenerators 3 ist mit dem Trigger-Eingang 4 eines einstellbaren Einzelimpulsgenerators 5 verbunden. Jeder Triggerimpuls des Triggerimpulsgenerators 3, der beim Nulldurchgang der Wechselstromquelle 2 auftritt; initiiert einen rechteckigen Impuls am Ausgang 6 des einstellbaren Einzelimpulsgenerators 5. Die Dauer des Ausgangsimpulses des Impulsgenerators 5 ist eine variable Funktion der Betragsgröße eines Steuerungsspannungssignals, welches mit einem Steuerungseingang 7 des einstellbaren Einzellimpulsgenerators 5 verbunden ist. Folglich endet der einzelne Ausgangsimpuls nach einem Zeitintervall, welches durch die Betragsgröße der Steuerungsspannung am Eingang 7 gesteuert wird. Der Ausgangsimpuls des einstellbaren Einzelimpulsgenerators 5 ist mit dem Eingang eines Schaltkreises 8 zur Impulsformung verbunden. Der Impulsformungs-Schaltkreis 8 besitzt ein Hochpassfilter und eine Diode, um einen Triac-Zündimpuls relativ kurzer Dauer dem Gate eines Triacs während jeder abfallenden Flanke des Ausgangsimpulses des Einzelimpulsgenerators 5 zuzuführen.
2 zeigt die Triggerimpulsgenerator-Komponente 3 und den Impulsformerschaltkreis 8, kombiniert mit einem einstellbaren Schaltkreis zur Erzeugung von Einzelimpulsen, welcher durch einen Timer-Schaltkreis 555, seinen angeschlossenen Kondensator C1 und einen passenden Ladeschaltkreis für den Kondensator C1 gebildet wird.
Der Triggerimpulsgenerator-Schaltkreis 3 besitzt einen Ausgang 12, welcher mit dem Trigger-Eingang 14 des 555-Timer-Schaltkreises 16 verbunden ist. Der Timer-Schaltkreis 555 weist drei Widerstände 13, 15 und 17 auf, welche zwischen Masse GND und einem Anschluss VCC für positive Stromversorgung in Serie geschaltet sind. Der Ausgang 12 des Trigger-Impulsgenerators 3 ist ausgebildet, jedesmal unter die am „Low“-Knoten 18 anliegende Spannung zu fallen, wenn die Spannung der Wechselstromleitung den Nullpegel kreuzt. Zu diesen Zeitpunkten setzt der erste Komparator 20, beschaltet zum Setzen des Eingangs S den Ausgang des Flip-Flops 22 auf ein niedriges Potential (z. B. auf Masse oder nahe Masse), was den Inverter 24 dazu veranlasst, den Ausgangsanschluss 26 des 555-Timers auf ein hohes Potential zu treiben, d. h. auf eine Spannung V+ oder nahe V+, welche die positive Gleichspannungsversorgung VCC ist, und was auch den elektronischen Schalter 28 zum Öffnen veranlasst. Der Kondensator C1, welcher durch den elektronischen Schalter 28 kurz geschlossen wurde, lädt sich daraufhin durch den einfließenden Strom I auf. Fließt der Strom I durch einen Widerstand 30, welcher zwischen V+ und den Kondensator C1 geschaltet ist, so lädt sich der Kondensator exponentiell auf. Alternativ dazu lädt sich der Kondensator linear auf, wenn der Strom I von einer elektronischen Konstant-Stromquelle eingeprägt wird. Lädt sich der Kondensator C1 bis zu einer Spannung auf, welche gerade die Spannung am „High“-Knoten 32 übersteigt, dessen Spannung die gleiche ist, wie die am: Steuerungseingang 34 des 555-Timer-Schaltkreises anliegende Steuerungsspannung, so setzt der zweite Komparator 36, welcher mit dem Rücksetz-Eingang R verbunden ist, den Ausgang des Flip-Flops 22 wieder auf „high“, woraufhin sich der elektronische Schalter 28 schließt und den Kondensator C1 entlädt. Desweiteren sinkt der Ausgang 26 auf ein „Low“-Potential. Es geschieht solange nichts, bis die Spannung des Trigger-Eingangs 14 wieder unter die am „Low“-Knoten 18 anliegende Spannung fällt. Ab diesem Zeitpunkt wiederholt sich der eben beschriebene Zyklus.
Der Impulsformer-Schaltkreis 8 aus. 1 und 2 erzeugt einen Zündimpuls bestehend aus Strom aus dem Gate des Triacs, wenn der Ausgang 26 des 555-Timers von einem hohen Potential zu einem niedrigen übergeht. Die Zeit zwischen einem Nulldurchgang der Wechselstromleitung und dem nächsten Zündimpuls ist die Zeit, die der Kondensator C1 benötigt, sich bis zu einer Spannung aufzuladen, welche gleich der Steuerungsspannung ist, und so durch Veränderung der Steuerungsspannung variiert werden kann, wodurch die Steuerungsfunktion der Erfindung erfüllt wird.
Die Signalformen in 3 beziehen sich auf Spannungen und Ströme an Stellen, die in 2 genannt sind. An den Nulldurchgängen der Spannung der Wechselstromleitung lässt der Trigger-Impulsgenerator 3 die Spannung am Trigger- Eingang 14 von V+ bis nahe Masse fallen, d. h. bis zu einer niedrigeren Spannung als die des „Low“-Knotens 18. Die Trigger-Spannung 14 muss mindestens 50 Nanosekunden unter der Spannung des „Low“-Knotens 18 bleiben, um eine zuverlässige Funktion des ersten Komparators 20 zu gewährleisten. Befände sich die Spannung des Triggers 14 immer noch unterhalb der Spannung des „Low“- Knotens 18, wenn das Flip-Flop 22 durch den zweiten Komparator 36 auf ein hohes Potential zurückgesetzt wird, so würde das Flip Flop 22 augenblicklich durch den ersten Komparator 20 auf ein niedriges Potential gesetzt, und ein fehlerhafter Ladezyklus würde gestartet, was in unerwünschte Zündimpulse zur falschen Zeit resultieren würde. Da die größtmögliche Zeitspanne zwischen einem Nulldurchgang der Leitungsspannung und dem Rücksetzen des Flip-Flops eine halbe Periode der Leitungsspannung beträgt, kann der Trigger-Eingang 14 unter keinen Umständen für mehr als eine halbe Periode der Leitungsspannung unter dem „Low“-Potential bleiben. In der Praxis wird der Trigger-Eingang 14 nur für einige Mikrosekunden unter dem „Low“-Potential bleiben; was zu einer eindeutigen Beschränkung der minimalen Zeit führt, um die Zündimpulse gegenüber Leitungs-Nulldurchgängen verzögert werden können. Jedoch ist diese Beschränkung für typische Periodenverläufe mit einer Dauer von 16000 Mikrosekunden praktisch bedeutungslos.
Der Triac-Gate-Strom, welcher in 3 dargestellt wird, ist negativ, d. h. er fließt aus dem Gate des Triac heraus. Die meisten Triacs zünden mit entweder positivem oder negativem Gate-Strom. Negativer Gate-Strom kann jedoch bei einer negativen Flanke mit weniger Komponenten als bei positivem Strom realisiert werden.
4 zeigt eine Ausgestaltung des Triggerimpulsgenerator-Schaltkreises 3 welcher eine niedrige Anzahl an Komponenten hat und, mit Ausnahme von Kondensatoren, in einen anwendungsspezifischen, integrierten Schaltkreis eingefügt werden kann, um einen Teil eines integrierten Steuerungssystems zu bilden, von welchem der 555-Timer-Schaltkreis ein weiterer Sub-Schaltkreis wäre. Der Widerstand R1 und die Zener-Diode Z1 bilden einen Schaltkreis zur Spannungsbegrenzung, um die Spannung der Wechselstromleitung gleichzurichten und zu beschneiden, um eine positive, rechteckige Signalform am Knoten A zu erzeugen, welche sich zwischen Masse abzüglich Diodenabfall und der Zener-Spannung bewegt, die nominell gleich V+ gesetzt wird. Typische Anstiegs- und Abfallzeiten am Knoten A betragen ungefähr 200 Mikrosekunden für eine 120 Volt, 60 Hz Leitungsfrequenz und eine 12 Volt Zener-Spannung.
Ein Impulsformer-Schaltkreis, welcher ein Hochpassfilter und eine Diode beinhaltet, wird aus dem Kondensator C2, dem Widerstand R2 und aus der Diode D2 gebildet. Diese senken die Spannung am Triggereingang 14 auf nahe Masse bei negativen Übergängen von A. Die Spannung am Triggereingang 14 wird normalerweise durch den Pull-up-Widerstand R3 auf V+ gehalten. Ein ähnlicher Impulsformer-Schaltkreis ist aus dem Kondensator C3, der Diode D1 und denn Transistor T1 gebildet, welche zusammen ein invertierendes zweites Hochpassfilter mit Diode bilden. Bei den positiven Übergängen des Knotens A lädt sich der Kondensator C3 durch die Basis des Transistors T1 auf und schaltet diesen ein, wobei der Trigger-Eingang 14 auf nahe Masseniveau gezogen wird. Die Diode D1 entlädt den Kondensator C3 nach jedem positiven Übergang von A. Auf diese Weise fällt die Spannung des Trigger-Eingangs 14 bei jedem Nulldurchgang der Wechselstromleitung, wie gewünscht unter die Spannung am „Low“-Knoten 18.
5 zeigt eine weitere Ausgestaltung für den Impulsgenerator-Schaltkreis 3, welcher einen 555-Timer-Schaltkreis 50 als Teil eines Schaltkreises zur Erzeugung von Triggerimpulsen bei positiven Übergängen von A benutzt. Der 555 Timer-Schaltkreis ist angeordnet, um als ein Inverter zu fungieren, der die rechteckige Signalform am Knoten A in die rechteckige Signalform Ā invertiert. Dieser 555-Timer- Schaltkreis 50 kann eine Hälfte eines gängigen; integrierten Schaltkreises sein, der aus zwei identischen 555-Timer-Schaltkreisen in einem einzelnen Gehäuse besteht, dessen Bauteilnummer je nach Hersteller differiert, aber meistens die Nummer 556 beinhaltet, wie z. B. LM556 oder NE556. Auf diese Weise können sich der 555-Timer-Schaltkreis 16 aus 2, sowie der 555-Timer-Schaltkreis 50 aus 5 in dem gleichen, integrierten 556-Schaltkreis befinden.
In dem Schaltkreis aus 5 üben der Widerstand R4, die Zener-Diode Z2, der Kondensator C5, der Widerstand R5, die Diode D5 und der Kondensator C6 die selben Funktionen wie in dem Schaltkreis aus 4 aus, d. h., sie bilden. einen Spannungsbegrenzungs-Schaltkreis, gefolgt von einem Impulsformungs-Schaltkreis mit einem Hochpassfilter und einer Diode, um einen Triggerimpuls bei den negativen Übergängen von A zu erzeugen. Zur Erzeugung eines Triggerimpulses bei positiven Übergängen von A, wird die Umkehrung von A, welche in 5 als Ā bezeichnet wird, erstmals durch den 555-Schaltkreis 50 erzeugt. Dies wird durch Anlegen der am Knoten A anliegenden Spannung an den Schwellenwerteingang 52 des 555-Schaltkreises 50 und durch Triggern des 555-Schaltkreises 50 bei den negativen Übergängen von A mittels Widerstand R8 und Diode D4 erreicht. Ein Trigger-Impuls bei den negativen Übergängen des 555-Ausgangs 54 wird durch den Kondensator C6, den Widerstand R7 und die Diode D3 geformt; welche einen Impulsformer-Schaltkreis mit einem Hochpassfilter nebst Diode bilden. Der Schaltkreis aus 5 kann , relativ einfach in einen anwendungsspezifischen, integrierten Schaltkreis eingefügt werden. Alle Komponenten mit Ausnahme der Kondensatoren C5 und C6 können integriert werden. Signalformen an den Knoten A und Ā, sowie am Knoten T des Trigger-Ausgangs sind in 6 dargestellt.
7 zeigt einen Schaltkreis; welcher die Funktion des Impulsformungs-Schaltkreises 8 aus 1 ausführt, indem bei den abfallenden, negativ gerichteten Übergängen des Ausgangs 26 des 555-Timer Schaltkreises 16 ein Stromimpuls aus einem Triac-Gate heraus gezogen wird . Die Diode D6 blockiert Impulse bei positiven Übergängen des Ausgangs 26, der Widerstand R10 begrenzt den Strom des Triac-Gates, und der Widerstand R9 sowie der Kondensator C7 steuern die Dauer. des Impulses.
Obwohl bestimmte, bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung bis ins Detail dargestellt worden sind; sind selbstverständlich verschiedene Modifikationen möglich, ohne von dem Prinzip der Erfindung oder dem Bereich der folgenden Ansprüche abzuweichen.

Claims

Triac-Steuerungsschaltung zur Erzeugung eines Triac-Zündimpulses, der zeitlich um eine halbe Periode gegenüber dem Signal auf einer Wechselstromleitung verschoben ist, wobei das Zeitintervall zwischen dem Nulldurchgang des Signals auf der Wechselstromleitung und dem nächsten Zündimpuls durch den Größenbetrag eines Steuersignals steuerbar ist, und wobei der Schaltkreis durch die folgende Kombination gekennzeichnet ist: a) ein Triggerimpulsgenerator-Schaltkreis (3) besitzt einen an die Wechselstromleitung angeschlossenen Eingang und einen Generatorausgang (4), an welchem bei jedem Nulldurchgang des Signals auf der Wechselstromleitung ein Impuls erzeugt wird; b) ein einstellbarer Einzelimpulsgenerator-Schaltkreis (5) besitzt einen Triggereingang, der an dem Ausgang des Triggerimpulsgenerator-Schaltkreises (3) angeschlossen ist, und einen Einzelimpulsausgang, an welchem ein Impuls erzeugt wird, der durch einen Impuls von dem Triggerimpulsgenerator-Schaltkreis (3) ausgelöst wird und nach einem Zeitintervall endet, das durch den Größenbetrag eines an einem Steuereingang angelegten Steuersignals beeinflußt ist; sowie c) ein Impulsformungs-Schaltkreis (8) besitzt ein Hochpaßfilter (C7, R9) und eine Diode (D6) und ist an den Ausgang des Einzelimpulsgenerator-Schaltkreises (5) angeschlossen, um mit dem Ende des Ausgangsimpulses des Einzelimpulsgenerator-Schaltkreises einen Triac-Zündimpuls zu bilden.
Triac-Steuerungsschaltung nach Anspruch 1, wobei der Triggerimpulsgenerator-Schaltkreis durch die Kombination folgender Elemente gekennzeichnet ist: a) eines Schaltkreises (R1, Z1; R4, Z2) zur Begrenzung einer Spannung, dessen Eingang an der Wechselstromleitung angeschlossen ist, um ein hauptsächlich sinusförmiges Signal auf der Wechselstromleitung in ein Wellensignal mit einem rechteckigen Verlauf an seinem Ausgang umzuwandeln; b) eines Schaltkreises zur Formung eines Impulses, mit einem Hochpaßfilter (C2, R2; C5, R5) und einer Diode (D2; D5), der mit seinem Eingang an dem Ausgang des Spannungsbegrenzungsschaltkreises angeschlossen ist und mit: seinem Ausgang an dem Triggereingang des Einzelimpulsgenerator-Schaltkreises (5), um bei negativen Flanken des rechteckigen Wellensignals Triggerimpulse zu erzeugen; und c) einem Schaltkreis zur Formung invertierender Impulse, mit einem Hochpaßfilter (C3, T1; C6, R7) und einer Diode (D1; D3), welcher Schaltkreis mit seinem Ausgang an dem Triggereingang des Einzelimpulsgenerator-Schaltkreises (5) angeschlossen ist und mit seinem Eingang an dem Ausgang des Begrenzungsschaltkreises zwecks Invertierung und Formung von Triggerimpulsen bei positiven Flanken des rechteckförmigen Wellensignals.
Triac-Steuerungsschaltung nach Anspruch 1, wobei der einstellbare Einzelimpulsgenerator-Schaltkreis durch die Kombination folgender Elemente gekennzeichnet ist: a) eines integrierten Zeitgeber-Schaltkreises (16) vom Typ 555, mit einem Entladeanschluß und einem Schwellensignalanschluß und einem mit Masse verbundenen Masseanschluß; b) eines Kondensators (C1), mit einem ersten Anschluß, der mit Masse verbunden ist, und mit einem zweiten Anschluß, der sowohl mit dem Entladeanschluß als auch mit dem Schwellensignalanschluß verbunden ist; c) einer Quelle für einen Ladestrom (V+), der mit dem zweiten Anschluß des Kondensators (C1) verbunden ist, um diesen aufzuladen.
Triac-Steuerungsschaltung nach Anspruch 3, wobei der Triggerimpulsgenerator-Schaltkreis durch die Kombination folgender Elemente gekennzeichnet ist: a) eines Schaltkreises (R4, Z2) zur Begrenzung einer Spannung, dessen Eingang an der Wechselstromleitung angeschlossen ist, um ein hauptsächlich sinusförmiges Signal auf der Wechselstromleitung in ein Wellensignal mit einem rechteckigen Verlauf an seinem Ausgang umzuwandeln; b) eines ersten Schaltkreises zur Formung eines Impulses, mit einem Hochpaßfilter (C5, R5) und einer Diode (D5), der mit seinem Eingang an dem Ausgang des Spannungsbegrenzungsschaltkreises angeschlossen ist und mit seinem Ausgang an dem Triggereingang des Einzelimpulsgenerator-Schaltkreises (5), um bei negativen Flanken des rechteckigen Wellensignals Triggerimpulse einer Polarität zu erzeugen; und c) eines zweiten Schaltkreises zur Formung eines Impulses, der einen Hochpaßfilter (C6, R7), eine Diode (D3). und einen invertierenden Schaltkreis (50) umfaßt, sowie einen Ausgang, der an dem Triggereingang (T) des Einzelimpulsgenerator-Schaltkreises angeschlossen ist, und einen Eingang, der zwecks Invertierung und Formung von Triggerimpulsen bei positiven Flanken des rechteckförmigen Wellensignals an den Ausgang des Begrenzungsschaltkreises angeschlossen ist.
Triac-Steuerungsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Zeitgeber-Schaltkreis vom Typ 555 einer von zwei duplizierten Zeitgeber-Schaltkreisen vom Typ 555 ist, die als Teil desselben integrierten Schaltkreises gebildet sind, wobei der zweite integrierte Zeitgeber-Schaltkreis (50) vom Typ 555 den invertierenden Schaltkreis des zweiten Schaltkreises zur Formung eines Impulses bildet und einen Schwellensignaleingang (52) hat, der mit dem Ausgang des Schaltkreises zur Spannungsbegrenzung verbunden ist, und wobei ein Triggereingang mit dem Ausgang des ersten Schaltkreises zur Formung eines Impulses verbunden und ein Ausgangsanschluß (54) mit dem Eingang des zweiten Schaltkreises zur Impulsformung gekoppelt ist.
Triac-Steuerungsschaltung nach Anspruch 1, wobei der einstellbare Einzelimpulsgenerator-Schaltkreis durch die Kombination folgender Elemente gekennzeichnet ist: a) einer Gleichspannungsquelle (V+) mit einem negativen, mit Masse verbundenen Anschluß und mit einem positiven Anschluß; b) dreier Widerstände (13, 15, 17) in Reihenschaltung zwischen den Anschlüssen der Gleichspannungsquelle, wobei die Widerstände einen „High“-Verbindungsknoten (HIGH) und einen „Low“-Verbindungsknoten (LOW) haben, und wobei der obere Knoten eine positivere Spannung hat als der untere Knoten und den Steuereingang bildet; c) eines Flip-Flops (22) mit Setz- (S) und Rücksetzeingängen (R); d) eines ersten Komparators (20), der mit einem seiner Eingänge an dem „Low"-Knoten angeschlossen ist, während ein zweiter Eingang den Triggereingang bildet, und dessen Ausgang mit dem Setzeingang (S) des Flip-Flops (22) verbunden ist, um den Ausgang des Flip-Flops auf ein niedriges Potential zu ziehen, wenn die Spannung an dem Triggereingang unter die Spannung an dem „Low"- Knoten fällt; e) eines zweiten Komparators (36), der mit einem seiner Eingänge an dem „High"-Knoten angeschlossen ist, während ein zweiter Eingang einen Schwellensignaleingang bildet, und dessen Ausgang mit dem Rücksetzeingang (R) des Flip-Flops (22) verbunden ist, um den Ausgang des Flip-Flops auf ein hohes Potential zu ziehen, wenn die Spannung an dem Schwellensignaleingang über die Spannung an dem Steuereingang ansteigt; f) eines elektronischen Schalters (28), der zwischen Masse und einem Entladungsknoten angeschlossen ist und einen Schaltsteuerungsanschluß besitzt, welcher mit dem Ausgang des Flip-Flops verbunden ist, wobei der Schalter geschlossen ist, wenn der Ausgang des Flip-Flops ein hohes Potential führt, und offen ist, wenn der Ausgang des Flip-Flops auf niedrigem Potential liegt; g) eines invertierenden Schaltkreises (24) mit einem Eingang, der mit dem Ausgang des Flip-Flops verbunden ist, und mit einem Ausgang, der den Ausgang des Einzelimpulsgenerator-Schaltkreises bildet; h) eines Kondensators (C1) mit einem ersten Anschluß, der mit Masse verbunden ist, und mit einem zweiten Anschluß, der sowohl mit dem Entladungsknoten als auch dem Schwellensignalknoten verbunden ist; und i) einer Quelle für einen Ladestrom (V+), die mit dem zweiten Anschluß des Kondensators verbunden ist, um diesen aufzuladen.
Triac-Steuerungsschaltung nach Anspruch 6, wobei der Triggerimpulsgenerator-Schaltkreis gekennzeichnet ist durch Mittel zur Erzeugung einer Spannung zwischen Masse und dem Triggereingang, wobei die Spannung positiver ist als die Spannung an dem „Low"-Knoten, mit Ausnahme von Intervallen, welche bei dem Nulldurchgang des Signals auf der Wechselstromleitung beginnen und eine Dauer zwischen 50 Nanosekunden und einer halben Periode des Signals auf der Wechselstromleitung haben.
Schaltung nach Anspruch 6, wobei der an den Ausgang des Einzelimpulsgenerator-Schaltkreises angeschlossene Impulsformungsschaltkreis durch die Kombination folgender Elemente gekennzeichnet ist: a) eines Serien-Widerstandes (R9) und eines Kondensators (C7) mit einem gemeinsamen Verbindungsknoten, wobei der Kondensator zwischen dem Ausgang des Einzelimpulsgenerator-Schaltkreises (5) und einem Anschluß des Widerstands eingefügt ist; und wobei ein zweiter Anschluß des Widerstands mit Masse verbunden ist; b) einer Diode (D6) mit einer Kathode, die an dem Verbindungsknoten zwischen dem Serienwiderstand und dem Kondensator angeschlossen ist, und mit einer Anode; und c) einem zweiten Widerstand (R10), der an der besagten Anode angeschlossen ist und einen zweiten Anschluß zur Verbindung mit dem Gate des Triacs aufweist.
Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Reihenwiderstände (13, 15, 17), das Flip-Flop (22), der erste und der zweite Komparator (20,36), der elektronische Schalter (28) und der Inverter (24) allesamt Teile eines einzigen integrierten Schaltkreises sind.
Schaltung nach Anspruch 6, wobei der Triggerimpulsgenerator-Schaltkreis durch die Kombination folgender Elemente gekennzeichnet ist: a) eines Schaltkreises zur Spannungsbegrenzung, mit einem Widerstand (R1) und einer Zenerdiode (Z1), welche in Reihe zwischen den Polen der Wechselstromleitung angeschlossen sind und einen ersten Verbindungsknoten (A) aufweisen, der mit der Kathode der Zenerdiode (Z1) verbunden ist, wobei die Anode der Zenerdiode (Z1) mit Masse verbunden ist und mit einer Phase der Wechselstromleitung, und wobei die Zenerspannung der Zenerdiode nominell gleich der Spannung der Gleichspannungsquelle ist; b) einem Schaltkreis zur Bildung eines Impulses, mit einem Hochpaßfilter (C2, R2) und einer Diode (D2) und insbesondere mit einem Kondensator (C2) und einem Widerstand (R2), welche in Reihe zwischen dem besagten, ersten Knoten (A) und dem positiven Anschluß (V+) der besagten Gleichspannungsquelle eingefügt sind, wobei ein Anschluß des Widerstands (R2) mit der besagten Quelle verbunden ist und der andere Anschluß des Widerstands mit einem zweiten Verbindungsknoten zwischen dem Widerstand und dem Kondensator; und wobei der Schaltkreis ferner eine Diode (D2) umfaßt mit einer Anode, die an dem Triggereingang (T) des Einzelimpulsgenerators angeschlossen ist, und mit einer Kathode, die mit dem besagten, zweiten Knoten verbunden ist; c) einem Schaltkreis zur Bildung eines invertierten impulses, mit einem Hochpaßfilter und einer Diode und insbesondere mit einem Kondensator (C3) und einer Diode (D1), welche in Reihe zwischen dem besagten, ersten Knoten (A) und Masse eingefügt sind, wobei die Anode der Diode (D1) mit Masse verbunden ist, und wobei der Serienkondensator (C3) und die Diode (D1) einen gemeinsamen Verbindungsknoten haben, der mit der Basis eines NPN-Transistors (T1) verbunden ist, der mit seinem Emitter an Masse und mit seinem Kollektor an dem besagten-Triggereingang (T) angeschlossen ist; d) einem Widerstand (R3), der zwischen dem Triggereingang (T) und dem positiven Anschluß (V+) der besagten Gleichspannungsquelle eingefügt ist.
Schaltung nach Anspruch 10; dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Dioden und der besagte Transistor Teile eines einzigen integrierten Schaltkreises sind.
Verfahren zur Steuerung des Zündwinkels eines Triacs in Abhängigkeit von dem Signal auf einer Wechselstromleitung, wobei das Verfahren durch die folgenden, kombinierten Schritte gekennzeichnet ist: a) Auslösen eines zeitgebenden Impulses (26) bei jedem Nulldurchgang des Signals auf der Wechselstromleitung; b) Beenden des zeitgebenden Impulses (26) nach einem Zeitintervall, welches proportional zu der Größe eines variablen Steuer-Eingangssignals (34) ist; und c) Erzeugen eines getrennten Triac-Trigger-Impulses am Ende des zeitgebenden Impulses, wobei der Triggerimpuls den Gatestrom des Triacs vor dem nächsten Nulldurchgang des Signals auf der Wechselstromleitung beendet.