Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur EIN/AUS-
Steuerung eines elektronischen Zweidraht-Wechselstromschalters,
wie diese im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben worden ist.
Derartige Schalter werden in zunehmendem Maße zur EIN- und AUS-
Schaltung von elektronischen Verbrauchern benutzt. Sie finden
sowohl in der Hausinstallationstechnik als auch in Geräten der
Unterhaltungselektronik als Sensorschalter, Schalter mit
Infrarot-Fernbedienung, Zeitschalter u. ä. Verwendung.
Die Schaltungsanordnungen dieser in Rede stehenden Elektronik-
Schalter lassen sich, abgesehen von der Stromversorgung
prinzipiell in drei Schaltungsteile, nämlich der der Steuerelektronik,
der Interface-Schaltung und der Phasenanschnittsteuerung
aufteilen.
Während der Phasenanschnittsteuerung praktisch immer die
Standard-Schaltung zugrunde liegt (vgl. Fachbuch-Ausgabe der Topp-
Reihe Elektronik, Band 73, Steuer- und Regelschaltungen,
erschienen 1972 im Frech-Verlag, Seite 25, Bild 10, Fall a), gibt es
für die Interface-Schaltung, dem Verbindungsglied zwischen
Steuerelektronik und Phasenanschnittsteuerung, zahlreiche
Schaltungsvorschläge.
Solche Schaltungen sind mit einer Reihe von Vor- und Nachteilen
behaftet, was im folgenden anhand einiger Ausführungen
beispielsweise erläutert werden soll.
Eine relativ einfache Ausführungsform ist insoweit dadurch
gekennzeichnet, daß über eine Gleichrichter-Brückenschaltung die
Zündkondensatorspannung mittels eines Transistors
kurzgeschlossen wird. Bei dieser Schaltung liegen Ein- und Ausgang auf
unterschiedlichem Bezugspotential.
In einer zweiten Ausführungsform einer Interface-Schaltung
werden in bezug auf die positiven und negativen Halbwellen jeweils
zwei separate Transistoren kurzgeschlossen. Diese Schaltung ist
wegen der erforderlichen Schutz-Dioden sowie wegen eines
zusätzlichen Transistors zur Potential-Umsetzung eingangsseitig zu
aufwendig.
Bei einer dritten Ausführungsform wird der Kondensator der
Phasenanschnittsteuerung mittels eines Kleinst-Triac's
kurzgeschlossen. Dabei liegt zwar der Zündstrom dieser Triac's um den Faktor
10 niedriger als bei einem 6 A-Triac, er ist jedoch immer noch
extrem hoch.
Schließlich ist noch eine Ausführungsform bekannt, wobei die
über eine Spannungs-Verdoppler-Schaltung gleichgerichtete
Zündkondensator-Spannung mittels eines Transistors kurzgeschlossen
wird. Diese Schaltung erfordert jedoch einen großen
Wechselspannungs-Kondensator.
Zum Verständnis der Wirkungsweise dieser unterschiedlichen
Interface-Schaltungen soll zunächst noch einmal Bezug auf die
eingangs erwähnten Grundschaltung einer Phasenanschnittsteuerung
genommen werden. Mit dieser Schaltung ist der Verbraucher im
Ruhezustand eingeschaltet. Das Ausschalten erfolgt, wenn erreicht
wird, daß sich der Kondensator während einer Halbwelle der
Netzwechselspannung nicht mehr bis zur Diac-Durchbruchspannung
aufladet. Dies ist beispielsweise durch eine entsprechende
Vergrößerung der Zeitkonstante RC oder durch Parallelschalten
eines hinreichend kleinen Widerstandes zum Kondensator
möglich. Soll dagegen das Ein- und Ausschalten des Triac von
einer Steuerlogik aus erfolgen, so gibt es Anpassungsprobleme,
weil sowohl über dem Widerstand als auch über dem Kondensator
eine Wechselspannung liegt. Das erschwert die Beeinflussung
des Kondensator-Ladestromes bzw. der Zeitkonstante RC durch
Halbleiter wie Transistoren oder Dioden. Alle bekannten
elektronischen Interface-Schaltungen der vorerwähnten Art sind in
bezug auf die Anzahl und Dimensionierung ihrer Bauteile, sowie
in ihren elektronischen Kriterien nicht optimal.
Darüber hinaus sind noch aus den amerikanischen Patentschriften
US-PS 35 94 591 und US-PS 36 76 706 Schaltungsanordnungen
bekannt, die zum Dimmen eines Wechselstromes jeweils Schaltzweige
mit zwei Transistoren verwenden, wobei der eine Transistor in
der negativen Halbwelle und der andere Transistor in der
positiven Halbwelle schaltet. Demgegenüber halbiert sich der
erfindungsgemäße Schaltungsaufwand.
Folglich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die
elektronische Interface-Schaltung, von der die Erfindung ausgeht, so
auszugestalten und auszubilden, daß folgende Forderungen
erfüllt werden:
- 1. Die erfindungsgemäße Interface-Schaltung muß bei
eingeschalteter Last leistungslos arbeiten,
- 2. sie darf nur aus wenigen Bauteilen bestehen,
- 3. die Bauteile müssen extrem klein sein,
- 4. Ein- und Ausgang der Interface-Schaltung müssen auf gleichem
Bezugspotential liegen,
- 5. die Dimensionierung der Interface-Schaltung muß im Hinblick
auf die Serienproduktion problemlos sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des
kennzeichnenden Teil von Anspruch 1.
Im einzelnen gibt es verschiedene Möglichkeiten, die
erfindungsgemäße Interface-Schaltung auszugestalten und weiterzubilden, was
im folgenden beispielhaft anhand von in den Zeichnungsfiguren
dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben wird. Es zeigt
- Fig. 1 - ein Schaltbild, das die grundsätzlichen Vorgänge
im Stromkreis der Interface-Schaltung bei
gesperrtem Transistor T veranschaulichen soll,
- Fig. 2 - den Verlauf der Spannungen gemäß dem Schaltbild
nach Fig. 1,
- Fig. 3 - ein Schaltbild, das die grundsätzlichen Vorgänge
im Stromkreis der Interface-Schaltung bei
durchgesteuertem Transistor T veranschaulichen soll,
- Fig. 4 - den Verlauf der Spannungen gemäß dem Schaltbild
nach Fig. 3,
- Fig. 5 - das Schaltbild einer ersten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Interface-Schaltung,
- Fig. 6 - das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Interface-Schaltung als
Verbindungsglied zwischen einer Steuerelektronik mit
negativer Steuerlogik OV LAST EIN und negativer
Versorgungsspannung sowie einer
Phasenanschnittsteuerung,
- Fig. 7 - das Schaltbild gemäß Fig. 6, jedoch mit positiver
Steuerlogik.
Anhand der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Schaltungen mit
dazugehörigen Spannungsverläufen sollen zunächst die
grundlegenden Zusammenhänge in bezug auf die erfindungsgemäße Interface-
Schaltung erläutert werden. Zur Funktionsweise der Darstellung in
Fig. 1 und 2 ist zu sagen, daß während der positiven Halbwelle
der Generatorspannung UG kein Strom fließt, weil die
Diode D sperrt. Während der negativen Halbwelle ist die Diode
zunächst leitend, bis der Kondensator G sich auf den Scheitelwert
der Generatorspannung UG aufgeladen hat. Danach fließt unter
Vernachlässigung des Kondensatorreststromes und der
Diodenschwellspannung auch während der negativen Halbwelle kein Strom mehr.
Den Verlauf der Spannung von UG, U2 und U1 zeigt die Fig. 2.
Darauf aufbauend ist in der Schaltung nach Fig. 3 anstelle der
Diode D eine Zenerdiode ZD mit UZD = UG, wobei XC « R sein
soll, eingefügt.
Da die Spitzen-Spitzen-Spannung des Generators UG größer ist als
die Zenerspannung der Zenerdiode ZD, fließt während der positiven
und negativen Halbwelle ein Strom. Im stationären Zustand ist der
Kondensator C dann auf die halbe Zener-Spannung aufgeladen. Für
den Fall, daß XC gegenüber dem Widerstand R hinreichend klein ist,
kann der Wechselspannungsteil der Kondensatorspannung
vernachlässigt werden. Für UG, U2 und U1 ergibt sich ein Spannungsverlauf
entsprechend der Darstellung in Fig. 4. Bemerkenswert ist, daß
durch diese Schaltung beide Halbwellen von U2 auf den halben Wert
der Generatorspannung UG begrenzt werden und daß trotzdem am
Kondensator G eine Gleichspannung auftritt.
Bei der in Fig. 5 erfindungsgemäß dargestellten
Interface-Schaltung ist die Lehre der Erfindung konkret dadurch realisiert, daß
zur Funktion der EIN- und AUS-Schaltung eine Kombination aus
Kondensator C und Zenerdiode ZD sowie Diode D in Verbindung mit
einem Transistor T vorgesehen ist. Wichtig ist, daß bei Verwendung
des üblichen 32 V-Diacs im Zweidraht-Wechselstromschalter für den
Transistor T ein billiger 30-V-Typ ausreicht und für den
Kondensator C ein billiger 50-V-Elko mit ca. 1 µF Kapazität gewählt werden
kann, wobei die Dimensionierung der Kapazität sowie die der
Zenerspannung völlig unkritisch ist. Ist der Strom in der Schaltung
nach Fig. 5 hinreichend klein, so kann ferner der bei ca. -5 V
liegende Durchbruch der Kollektor-Emitter-Strecke die Diode D
ersetzen. In diesem Falle ist bei der Dimensionierung der
Zenerdiode ZD die Zenerspannung ca. 5 V niedriger zu wählen.
Selbstverständlich kann bei negativer Versorgungsspannung die
Logik des Zweidraht-Wechselstromschalters für den Transistor
ein pnp-Typ eingesetzt werden. Ebenso ist es möglich, den
Emitter des Transistors T auf die Versorgungsgleichspannung des
Schalters zu legen anstatt auf Masse. Durch solche Maßnahmen
kann die Interface-Schaltung allen in der Praxis denkbaren
Konfigurationen des Steuer-Logik-Ausgangs angepaßt werden. Die in
den Fig. 6 und 7 dargestellten Interface-Schaltungen sind für
solche negativen Versorgungsspannungen ausgeführt.
Mit der erfindungsgemäßen Interface-Schaltung steht eine
Schaltung zur Verfügung, die leistungslos arbeitet, sehr kompakt
aufbaubar ist, für Ein- und Ausgang das gleiche Bezugspotential
verwendet, die unkritisch in der Dimensionierung ist, an jede
Steuerlogik-Polarität anpaßbar ist und die außerdem sehr wenig kostet.
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