Dokumentenidentifikation |
DE3615052C2 12.10.1989 |
Titel |
Zweidraht-Schalter |
Anmelder |
Gebhard Balluff Fabrik feinmechanischer Erzeugnisse GmbH & Co, 7303 Neuhausen, DE |
Erfinder |
Kammerer, Heinz, 7302 Ostfildern, DE; Dolderer, Peter, 7300 Esslingen, DE |
Vertreter |
Stellrecht, W., Dipl.-Ing. M.Sc.; Grießbach, D., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Haecker, W., Dipl.-Phys.; Böhme, U., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 7000 Stuttgart |
DE-Anmeldedatum |
03.05.1986 |
DE-Aktenzeichen |
3615052 |
Offenlegungstag |
05.11.1987 |
Veröffentlichungstag der Patenterteilung |
12.10.1989 |
Veröffentlichungstag im Patentblatt |
12.10.1989 |
IPC-Hauptklasse |
H03K 17/56
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IPC-Nebenklasse |
H03K 17/725
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Zusammenfassung |
Die Erfindung betrifft einen Zweidraht-Schalter zum Anschalten einer Last an eine Wechselspannungsquelle. Speziell befaßt sich die Erfindung mit einem Zweidraht-Schalter mit einer nach dem Prinzip des Phasenanschnitts arbeitenden Hilfsspannungsquelle, durch die ein als Ladungsspeicher dienender Kondensator aufladbar ist. Gemäß der Erfindung ist in einen Steuerstromkreis für ein steuerbares Halbleiterbauelement auf der Eingangsseite der Brücke die Reihenschaltung eines bei einer vorgegebenen Mindestspannung über dem Kondensator leitend steuerbaren Schwellwertelements und einer Diode eingefügt.
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Beschreibung[de] |
Die Erfindung betrifft einen Zweidraht-Schalter gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiger Zweidraht-Schalter ist aus der DE-OS
30 41 808 bekannt, gemäß welcher die in Abhängigkeit von
dem Betriebszustand des Initiators leitend steuerbare
Halbleiter-Schaltstrecke durch die Schaltstrecke eines
Thyristors gebildet wird, der direkt parallel zu den
Ausgangsanschlüssen der Brückenschaltung geschaltet ist.
Nachteilig ist es bei diesem bekannten Zweidraht-Schalter, daß
der Thyristor mit der vollen gleichgerichteten Spannung
beaufschlagt wird und folglich ein spannungsfestes und
entsprechend teures Bauelement sein muß.
Dieser Nachteil gilt in ähnlicher Weise auch für einen aus
der Firmendruckschrift "Siemens Components 23 (1985),
Seite 81, bekannten Zweidraht-Schalter, der als steuerbares
Halbleiterbauelement eine Triac enthält. Dieser Triac liegt
im Bereich, das heißt, wenn an die beiden Anschlüsse des
Zweidraht-Schalters extern eine Wechselspannungsquelle und
eine Last, insbesondere die Erregerwicklung eines Relais,
angeschlossen sind, in Serie zu der Last und der
Wechselspannungsquelle im Lastkreis des Schalters.
Andererseits ist es ein Vorteil dieses bekannten Zweidraht-
Schalters, daß über dem Halbleiter-Schaltstrecken jeweils
nur noch eine Spannung von etwa 1 V abfällt, während bei
den früher eingesetzten Schaltungen mit einem Thyristor auf
der Ausgangsseite der Brücke mit einer Restspannung von
mindestens 4 bis 5 V gerechnet werden mußte, da bei dieser
Schaltung außer dem Thyristor stets zwei Dioden des
Brückengleichrichters im Lastkreis liegen. Andererseits wird dieser
Vorteil bei den oben angesprochenen bekannten Schaltungen nur
dadurch möglich, daß auf der Ausgangsseite der
Brückenschaltung die Schaltstrecke eines für eine hohe Spannung geeigneten
Halbleiterbauelements liegt.
Aus der DE-OS 33 20 975 ist ferner ein Zweidraht-Schalter
bekannt, bei dem auf der Ausgangsseite der
Brückenschaltung eine der Erzeugung einer relativ niedrigen
Hilfsspannung für die Halbleiterschaltung dienende
Hilfsspannungsquelle vorgesehen ist. Bei dieser bekannten Schaltung
liegt auf der Ausgangsseite der Halbleiterbrücke ein
spannungsfester Transistor, über dessen Schaltstrecke beim
Schließen des Lastkreises der Laststrom fließt, was den
Nachteil mit sich bringt, daß auch die Dioden der
Brückenschaltung wieder im Lastkreis liegen, so daß sich im
Lastkreis ein höherer Spannungsabfall ergibt als bei dem
oben erläuterten Zweidraht-Schalter mit einem Triac auf
der Eingangsseite der Brückenschaltung.
Ausgehend vom vorstehend diskutierten Stand der Technik
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem
Zweidraht-Schalter mit auf der Ausgangsseite der
Brückenschaltung liegender Hilfsspannungsquelle bei minimalem
Bauteileaufwand eine niedrige Restspannung im Lastkreis
zu erreichen, ohne für die Steuerung ein Bauelement mit einer
für hohe Spannung ausgelegten Schaltstrecke einsetzen zu müssen.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Zweidraht-
Schalter durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Es ist ein wichtiger Vorteil des Zweidraht-Schalters
gemäß der Erfindung, daß im Lastkreis eine sehr niedrige
Restspannung erreicht wird, da der Laststrom nur über das
als Schalter dienende steuerbare Halbleiter-Bauelement
fließt und nicht über die Dioden der Brückenschaltung.
Außerdem muß auch die Brückenschaltung nur für Ströme
von einigen Milliamp}re ausgelegt werden. Gleichzeitig
wird die hohe Spannung auf der Eingangsseite der Brücke
von der steuerbaren Halbleiter-Schaltstrecke auf der
Ausgangsseite der Brücke durch die in Reihe zu dem
Schwellwertelement liegende Diode ferngehalten, so daß diese
Schaltstrecke die Kollektor-Emitter-Strecke eines
Transistors sein kann, der kein Hochspannungs-Transistor ist,
sondern lediglich für die relativ niedrige Hilfsspannung
ausgelegt werden muß.
Vorzugsweise ist als Schwellwertelement eines der
folgenden Elemente vorgesehen:
eine Z-Diode, eine Trigger-Diode, ein Diac;
insbesondere eine Z-Diode, da Z-Dioden mit eng
gestaffelten Schwellwertspannungen als handelsübliche Bauelemente
preiswert zur Verfügung stehen.
Das steuerbare Halbleiter-Bauelement auf der
Eingangsseite der Brücke kann gemäß einer ersten vorteilhaften
Ausführungsform eines Zweidraht-Schalters gemäß der
Erfindung ein Thyristor sein, zu welchem ein zweiter
Thyristor antiparallel geschaltet ist, wobei die
Steuerelektrode des weiteren Thyristors über eine weitere Diode
mit dem Verbindungspunkt des Schwellwertelements und der
dem ersten Thyristor zugeordneten Diode verbunden ist,
derart, daß die beiden Dioden, bezogen auf den
Verbindungspunkt, in derselben Richtung gepolt sind.
Es ist ein Vorteil dieser Schaltungsvariante, daß
entsprechend spannungsfeste und hochbelastbare Thyristoren
vergleichsweise billig sind und nur einen geringen
Platzbedarf haben und außerdem nur relativ geringe Steuer-
und Halteströme benötigen.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Zweidraht-Schalters besteht ferner die Möglichkeit, als
steuerbares Halbleiter-Bauelement einen Transistor zu
verwenden, zu dem ein zweiter Transistor antiparallel
geschaltet ist, wobei die Basis des weiteren Transistors
über eine weitere Diode mit dem Verbindungspunkt des
Schwellwertelements und der dem ersten Transistor
zugeordneten Diode verbunden ist, derart, daß die beiden Dioden,
bezogen auf den Verbindungspunkt, in derselben Richtung
gepolt sind und wobei außerdem im Kollektoranschluß
jedes Transistors jeweils eine dem Verpolungsschutz
dienende Diode vorgesehen ist.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden
nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild, teilweise in Form eines
Blockschaltbildes, eines Zweidraht-
Schalters gemäß der Erfindung;
Fig. 1a einen Ausschnitt des Schaltbildes gemäß
Fig. 1 mit den Strompfaden für die
Ströme in Steuerkreis und im Lastkreis bei
Vorliegen einer positiven Halbwelle
einer Wechselspannung an den
Schalteranschlüssen;
Fig. 1b einen Ausschnitt des Schaltbildes gemäß
Fig. 1 mit den Strompfaden für die
Ströme in Steuerkreis und im Lastkreis bei
Vorliegen einer negativen Halbwelle
einer Wechselspannung an den
Schalteranschlüssen;
Fig. 2 ein Schaltbild eines weiteren
Zweidraht-Schalters gemäß der Erfindung;
und
Fig. 3 ein Teil-Schaltbild zweier weiterer
Zweidraht-Schalter gemäß der Erfindung.
Im einzelnen umfaßt die Schaltung gemäß Fig. 1 einen
Initiator 10, beispielsweise einen üblichen induktiven
Näherungsschalter, wie er von der Anmelderin unter der
Typenbezeichnung BES 517-300 S 141 in den Handel
gebracht wird.
Der Initiator 10 ist einerseits mit Bezugspotential und
andererseits mit dem Ausgang einer Hilfsspannungsquelle
12 verbunden, an dem eine stabilisierte Speisespannung
von beispielsweise etwa +10 V zur Verfügung steht. Eine
derartige Hilfsspannungsquelle ist beispielsweise in der
DE-OS 33 20 975 beschrieben. Bei der dort beschriebenen
Hilfsspannungsquelle wird die Hilfsspannung durch einen
Phasenanschnitt der gleichgerichteten Wechselspannung
erhalten, die an den externen Anschlüssen 14, 16 des
Zweidraht-Schalters anliegt. Dabei erfolgt die Gleichrichtung
der aus einer Wechselspannungsquelle 18 stammenden
Wechselspannung wie beim Ausführungsbeispiel mittels einer
Gleichrichterbrücke 20, welche in konventioneller Weise
aus vier Dioden aufgebaut ist, wie dies in Fig. 1a und 1b
dargestellt ist.
Der Initiator 10 besitzt einen Ausgang A, an dem je nach
dem Schaltzustand des schematisch angedeuteten Schalters
im wesentlichen die Bezugsspannung oder die positive
Speisespannung anliegt. Der Ausgang A des Initiators 10
ist über einen Widerstand 22 mit der Basis eines
Transistors 24 verbunden, dessen Emitter mit dem Ausgang der
Hilfsspannungsquelle 12 verbunden ist, wobei zwischen
Emitter und Basis in üblicher Weise eine Emitter-Basis-
Kapazität 26 und ein Emitter-Basis-Widerstand 28 liegen.
Der Emitter des Transistors 24 ist einerseits mit dem
Ausgang der Hilfsspannungsquelle 12 und andererseits
über einen Widerstand 54 mit der einen Platte eines
Kondensators 32 verbunden, dessen andere Platte an
Bezugspotential liegt und der als Ladungsspeicher zur Versorgung
des Initiators 10 dient, wenn auf der Eingangsseite der
Brücke 20 keine Spannung anliegt, wie dies weiter hinten
noch näher erläutert wird. Der Kollektor des Transistors
24 ist einerseits über eine Diode 30 mit der vom
Bezugspotential abgewandten Platte des Kondensators 32
verbunden und andererseits über eine Z-Diode 34 mit dem Eingang
einer Entkoppelungsschaltung 36 verbunden. Die
Entkoppelungsschaltung 36 besteht beim Ausführungsbeispiel aus zwei
Dioden 38, 40, deren Anoden miteinander und mit dem Eingang
der Entkoppelungsschaltung 36 verbunden sind und deren
Kathoden jeweils mit der Steuerelektrode einer steuerbaren
Diode, nämlich eines Thyristors 42 bzw. 44, verbunden sind.
Die beiden Thyristoren 42, 44 liegen bei dem
erfindungsgemäßen Schalter antiparallel zueinander zwischen den
externen Anschlüssen 14, 16, wobei parallel zur
Steuerelektroden/Kathoden-Strecke jeweils der übliche Gate/Kathoden-
Widerstand bzw. die Gate/Kathoden-Kapazität liegen.
Gemäß Fig. 1 liegt schließlich in Serie zu der
Wechselspannungsquelle 18 eine Last 46, welche entsprechend dem
hauptsächlichen Einsatzzweck von Zweidraht-Schaltern
gemäß der Erfindung als Erregerwicklung eines Relais
dargestellt ist.
Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung arbeitet zur Erzeugung
der Hilfsspannung in an sich bekannter Weise mit einem
Phasenanschnitt, was im vorliegenden Fall bedeutet, daß
die beiden Thyristoren 42, 44 zu Beginn jeder Halbwelle
der Wechselspannung für ein vorgegebenes Zeitintervall
gesperrt bleiben, und zwar so lange, bis auf der
Ausgangsseite der Hilfsspannungsquelle 12 eine Spannung erreicht
ist, die der Schaltschwelle der Z-Diode 34 entspricht.
Wenn der Transistor 24 durch den Pegel am Ausgang des
Initiators 10 leitend gesteuert ist und wenn
gleichzeitig am Ausgang der Wechselspannungsquelle 18 eine
positive Halbwelle ansteht, dann fließt gemäß Fig. 1a,
sobald der Kondensator 32 über die Schaltstrecke des
Transistors 24 und die Diode 30 aufgeladen und die
Schaltschwelle der Z-Diode 34 erreicht ist, ein in Form
einer durchgezogenen Linie angedeuteter Steuerstrom
von dem Anschluß 14 über die Gleichrichterbrücke 20,
die Hilfsspannungsquelle 12, die Emitter/Kollektor-
Strecke des Transistors 24, die Z-Diode 34 und die
Diode 40 zur Steuerelektrode des Thyristors 44 und
von dort über die Kathode des Thyristors 44 und die
Last 46 zurück zum negativen Anschluß der
Wechselspannungsquelle 18. Hierdurch wird der Thyristor 44
leitend gesteuert, so daß nunmehr über die
Serienschaltung des Thyristors 44, der Last 46 und der
Wechselspannungsquelle 18, die gemeinsam den Lastkreis bilden,
ein Laststrom fließen kann, der als strichpunktierte
Linie angedeutet ist, wobei die Stromrichtung ähnlich
wie beim Steuerstrom durch Pfeile angedeutet ist.
Sobald der Thyristor 44 leitend gesteuert wird, bricht
die Spannung auf der Eingangsseite der
Brückenschaltung 20 bis auf die geringe Restspannung über der
Schaltstrecke des Thyristors 44 zusammen, so daß auch
die Hilfsspannungsquelle 12 keine Ausgangsspannung mehr
liefern kann. Die Speisespannung für den Initiator 10
wird nunmehr während des Rests der laufenden Halbwelle
von dem zuvor aufgeladenen Kondensator 32 geliefert.
Solange auf der Eingangsseite der Brückenschaltung 20
dagegen eine Spannung ansteht und der Transistor 24
aufgrund eines entsprechenden Ausgangssignals des Initiators
10 gesperrt ist, dient der Widerstand 54 dazu, für den
Initiator 10 einen eingeprägten Strom zu erzeugen. Die
Diode 30 dient dem Zweck der Entkoppelung zwischen der
Stromversorgung des Initiators 10 und der
Thyristoransteuerung.
In entsprechender Weise wird bei einer negativen
Halbwelle der Wechselspannungsquelle 18 der Thyristor 42
leitend gesteuert, wobei der Steuerstrom und der
Laststrom längs der in Fig. 1b angedeuteten Pfade fließen.
Man erkennt, daß bei dem Zweidraht-Schalter gemäß der
Erfindung bei eingeschaltetem Lastkreis jeweils nur
noch die Anoden/Kathoden-Strecke eines einzigen
Thyristors im Lastkreis liegt. Außer an der Last tritt also
ein Spannungsabfall nur an der Schaltstrecke eines
einzigen Thyristors auf, wobei dieser Spannungsabfall etwa
1 V beträgt. Dabei ist es vorteilhaft, daß die beiden
antiparallel geschalteten Thyristoren 42, 44
vergleichsweise preiswerte handelsübliche Bauelemente mit
geringem Platzbedarf sind und daß der Schalttransistor 24
durch die Dioden 38, 40 der Entkoppelungsschaltung von
der hohen Wechselspannung entkoppelt ist und nur die
relativ niedrige Spannung von etwa 10 V am Ausgang
der Hilfsspannungsquelle 12 schalten muß. Voraussetzung
für das Funktionieren der Schaltung ist es dabei
allerdings, daß die Dioden 38, 40 eine für die
Wechselspannung ausreichende Spannungsfestigkeit besitzen. Diese
Forderung wird von vielen relativ preiswerten und
kleinen, handelsüblichen Halbleiterdioden erfüllt.
Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung eines Zweidraht-
Schalters gemäß der Erfindung entspricht hinsichtlich
der Ausbildung des Lastkreises und seiner Ansteuerung
vollständig der Schaltung gemäß Fig. 1. Der in Fig. 1
lediglich schematisch gezeigte Initiator 10 ist
jedoch durch eine handelsübliche integrierte Schaltung
10&min; des Typs TDE 0160 der Firma Thomson-CSF ersetzt,
welcher mit der entsprechenden äußeren Beschaltung
versehen ist. Weiterhin ist in Fig. 2 der
Spannungsregler bzw. die Hilfsspannungsquelle 12, die in Fig. 1
nur als Block dargestellt ist, detailliert dargestellt.
Man erkennt, daß die Hilfsspannungsquelle 12 als
Hauptelement einen Feldeffekt-Transistor 48 aufweist,
dessen Drain/Source-Strecke
zwischen der Gleichrichterbrücke 20 und dem Emitter des
Transistors 24 liegt und dessen Gate-Elektrode mit
dem anderen - ausgangsseitigen - Anschluß der Brücke
20 über eine Z-Diode 50 verbunden ist. Außerdem ist
parallel zur Gate/Drain-Strecke des Transistors 48 ein
Widerstand 52 vorgesehen.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Hilfsspannungsquelle wird
der Transistor 48 auf der Ausgangsseite der Brücke 20
bei jeder Halbwelle, zumindest für die Dauer des
Phasenanschnitts, leitend gesteuert, wobei die Z-Diode 50
die an seiner Gate-Elektrode wirksame Spannung auf
einen vorgegebenen Wert begrenzt. Auf diese Weise erhält
man auf der Ausgangsseite des Transistors 48 eine
pulsierende Gleichspannung mit einer relativ niedrigen
Amplitude von beispielsweise etwa 10 V, aus der mit
Hilfe des Widerstandes 54 ein im wesentlichen
konstanter Strom (eingeprägter Strom) für die Speisung der
integrierten Schaltung 10&min; gewonnen wird.
In Fig. 3 ist eine weitere Variante eines Zweidraht-
Schalters gemäß der Erfindung dargestellt, und zwar
nur der auf der Eingangsseite der Brücke befindliche
Schaltungsteil mit zugehörigen Elementen des
Steuerstromkreises. Die Thyristoren 42, 44 der Schaltungen
gemäß Fig. 1 und 2 sind in Fig. 3 durch Transistoren
42, 44 ersetzt, die durch Dioden 56, 58 in ihrem
Kollektoranschluß gegen eine Verpolung geschützt sind. Ferner
ist zwischen die Z-Diode 34 und die Dioden 38, 40 ein
Basis-Vorwiderstand 62 eingefügt. Im übrigen ist der
Zweidraht-Schalter gemäß Fig. 3 auf der Ausgangsseite
der Brücke im wesentlichen ebenso ausgebildet wie dies
anhand von Fig. 1 erläutert wurde.
Ergänzend ist bezüglich der Schaltungen gemäß Fig. 2
und 3 noch darauf hinzuweisen, daß dort zwischen dem
Kollektor des Transistors 24 und Bezugspotential ein
weiterer Kondensator 60 mit gestrichelten Linien
angedeutet ist. Dies soll zeigen, daß für den
Steuerstromkreis ein separater Kondensator vorgesehen sein kann,
wenn dies aus technischen Gründen wünschenswert ist.
Normalerweise genügt jedoch ein einziger Kondensator
- bei den Ausführungsbeispielen der Kondensator 32 -
als Ladungsspeicher für die Hilfsspannung und als
Kondensator für den Steuerstromkreis.
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Anspruch[de] |
- 1. Zweidraht-Schalter zum Anschalten einer Last an eine
Wechselspannungsquelle, mit einer im Betrieb
eingangsseitig mit der Wechselspannungsquelle verbundenen
Brückenschaltung, mit einer auf der Ausgangsseite der
Brückenschaltung vorgesehenen Halbleiterschaltung, die
eingangsseitig durch einen Initiator steuerbar ist und
ausgangsseitig eine in Abhängigkeit von dem
Betriebszustand des Initiators leitend steuerbare Halbleiter-
Schaltstrecke aufweist, mit einem auf der Eingangsseite
der Brückenschaltung befindlichen, bei angeschlossener
Last im Lastkreis liegenden steuerbaren
Halbleiterbauelement, dessen Steuerelektrode in einem die Halbleiter-
Schaltstrecke enthaltenden Steuerstromkreis liegt, und
mit einer mit der Ausgangsseite der Brückenschaltung
verbundenen, der Erzeugung einer relativ niedrigen pulsierenden
Gleichspannung als Hilfsspannung dienende
Hilfsspannungsquelle, durch die ein als Ladungsspeicher
dienender Kondensator aufladbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Halbleiterschaltung einschließlich ihrer steuerbaren
Halbleiter-Schaltstrecke (24) auf der Ausgangsseite der
Hilfsspannungsquelle (12) angeordnet ist und daß in den
Steuerstromkreis zwischen die Steuerelektrode des steuerbaren
Halbleiterbauelements (42, 44) und die
Halbleiter-Schaltstrecke (24) die Reihenschaltung eines bei einer
vorgegebenen Mindestspannung über dem Kondensator (32) leitend
steuerbaren Schwellwertelements (34) und einer Diode
(38, 40) eingefügt ist.
- 2. Zweidraht-Schalter nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß als Schwellwert-Element eines der
folgenden Elemente vorgesehen ist:
eine Z-Diode (34), eine Trigger-Diode, ein Diac.
- 3. Zweidraht-Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das steuerbare
Halbleiter-Bauelement ein Thyristor (42) ist, zu welchem ein zweiter
Thyristor (44) antiparallel geschaltet ist, und daß
die Steuerelektrode des weiteren Thyristors (44)
über eine weitere Diode (40) mit dem
Verbindungspunkt des Schwellwertelements (34) und der dem
ersten Thyristor (42) zugeordneten Diode (38) verbunden
ist, derart, daß die beiden Dioden (38, 40), bezogen
auf den Verbindungspunkt, in derselben Richtung
gepolt sind.
- 4. Zweidraht-Schalter nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kondensator (32) gleichzeitig als
Ladungsspeicher zur Speisung des Initiators (10)
vorgesehen ist.
- 5. Zweidraht-Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das steuerbare Halbleiter-
Bauelement als Transistor (42) mit einer dem
Verpolungsschutz dienenden Diode (56) im
Kollektoranschluß ausgebildet ist, zu dem ein zweiter
Transistor (44) mit einer dem Verpolungsschutz
dienenden Diode (58) im Kollektoranschluß antiparallel
geschaltet ist, und daß die Basis des weiteren
Transistors (44) über eine weitere Diode (40) mit
dem Verbindungspunkt des Schwellwertelements (34)
und der dem ersten Transistor (42) zugeordneten
Diode (38) verbunden ist, derart, daß die beiden
Dioden (38, 40), bezogen auf den Verbindungspunkt, in
derselben Richtung gepolt sind.
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Patent Zeichnungen (PDF)
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