Phasenanschnittsteuerung zum Betrieb eines ohmschen Verbrauchers an Netzwechselspannung

Abstract

 Eine Phasenanschnittsteuerung zum Betrieb eines ohmschen Verbrauchers, insbesondere einer Glühlampe (Ro), ist mit einem aus zwei Diacs (D1, D2) bestehenden Kompensationsglied K, das parallel zum Zeitglied R1C liegt, ausgestattet. Dadurch wird eine Stabilisierung der effektiven Ausgangsspannung erreicht.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung geht aus von einer Phasenanschnittsteuerung zum Betrieb eines ohmschen Verbrauchers an Netzwechselspannung, bestehend aus einem mit dem ohmschen Verbraucher in Reihe geschalteten Triac, einem zum Triac parallelliegenden RC-Glied mit einem Kondensator und einem Widerstandsblock, wobei der Widerstandsblock aus mindestens zwei in Reihe liegenden Widerständen gebildet wird, und einem Diac, der zum einen an den Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator und dem Widerstandsblock, zum andern an das Gitter des Triacs angeschlossen ist.

[0002] Es ist allgemein bekannt, ohmsche Verbraucher mit Hilfe von Phasenanschnittsteuerungen zu regeln, da hierbei nur die wirklich benötigte Leistung dem Netz entnommen zu werden braucht, die überschüssige Leistung also nicht als Verlustwärme in einem Vorwiderstand vernichtet wird (H. Böger, F. Kähler, G. Weigt: Bauelemente der Elektronik und ihre Grundschaltungen, Verlag H. Stamm, Köln, Band 1, 4. Auflage, S. 391/392, 1979). Diese Schaltungsanordnung wird insbesondere häufig bei elektrisch betriebenen Heizungsanlagen, Kollektormotoren und Glühlampen angewendet. Ein Nachteil der bekannten Schaltungsanordnungen ist jedoch, daß die unvermeidlichen Schwankungen der Netzspannung überproportional große Schwankungen der effektiven, am ohmschen Verbraucher anliegenden Ausgangsspannung zur Folge haben.

[0003] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, bei Betriebsschaltungen, die eine Phäsenanschnittsteuerung verwenden, die effektive, am ohmschen Verbraucher anliegende Ausgangsspannung trotz der unvermeidlichen Schwankungen der Netzspannung konstant zu halten.

[0004] Diese Aufgabe wird bei einer Phasenanschnittsteuerung mit den im Hauptanspruch genannten Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem aus dem Kondensator und dem ihm benachbarten Widerstand des RC-Gliedes gebildeten Zeitglied ein Kompensationsglied parallelgeschaltet ist, das ein im Vergleich zum Kondensator des Zeitgliedes entgegengesetztes Spannungsverhalten aufweist, wobei das Kompensationsglied über einen dazu in Reihe liegenden Schaltkreis zur Impedanzfestlegung direkt an die Netzwechselspannung angeschlossen ist. Diese Schaltung zeichnet sich durch eine geringe Verlustwärme aus. Die Schwankungen des Zündzeitpunktes werden durch eine relativ unkomplizierte, kostengünstige und platzsparende Maßnahme sehr genau korrigiert.

[0005] Ein verhältnismäßig einfaches Bauteil, das sich durch ein dem Kondensator des Zeitglieds entgegengesetztes, also negatives Spannungsverhalten auszeichnet, ist der Diac. Für ein zuverlässiges Funktionieren des Kompensationsgliedes ist es dabei erforderlich, zwei Diacs in Reihe zu schalten, wodurch sichergestellt ist, daß die am Kondensator des Zeitgliedes aufgebaute Spannung die Durchbruchspannung des zum Triggern des Triacs eingesetzten Diacs erreicht.

[0006] Vorteilhaft besteht der Schaltkreis zur Impedanzfestlegung aus der Reihenschaltung eines Vorwiderstands und zweier gegensinnig zueinander gepolter Zenerdioden, da mit einem Vorwiderstand allein die erforderliche niederohmige Impedanz nicht realisierbar ist.

[0007] Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist insbesondere für Glühlampen geeignet, wo eine konstante effektive Ausgangsspannung dann angestrebt wird, wenn eine konstante Lichtstärke und eine konstante Farbtemperatur von Interesse sind. Derartige Eigenschaften sind vor allem für Beleuchtungsanlagen in der Filmindustrie erwünscht. Die Bauelemente der erfindungsgemäßen Schaltung ermöglichen insbesondere den Einsatz bei der Regelung von Glühlampen, die ursprünglich für Spannungen kleiner als die zur Verfügung stehende Netzspannung mit üblicher Toleranzbreite ; 10 % ausgelegt sind.

[0008] Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Figur 1 das Prinzip einer konventionellen Phasenanschnittsteuerung

Figur 2 eine Schaltungsanordnung mit einer Phasenanschnittsteuerung, die ein Kompensationsglied aufweist

[0009] In Figur 1 ist eine konventionelle Phasenanschnittsteuerung dargestellt, für das Funktionsprinzip unwesentliche Schaltungsteile, wie Entstörfilter oder Überspannungsschutzfilter, sind weggelassen. Einem ohmschen Verbraucher Ro ist dabei ein Triac Tr in Reihe geschaltet, dessen Zündzeitpunkt durch ein parallel zu ihm liegendes RC-Glied und dessen Durchschaltverhalten durch ein Triggerdiac DT zusammen mit dem Kondensator des RC-Gliedes bestimmt ist.

[0010] Der Kondensator C wird über den Widerstandsblock R, gebildet aus den beiden in Reihe liegenden Widerständen R1 (regelbar) und R2, in jeder Halbwelle der anliegenden Netzwechselspannung mit der Zeitkonstanten RC geladen. Erreicht die Ladespannung dabei die Kippspannung des Diacs DT, so schaltet der Diac DT schlagartig durch. Infolgedessen fließt ein Steuerstrom auf das Gate des Triacs Tr, worauf auch der Triac Tr durchschaltet, so daß bis zum Ende der Halbwelle Spannung am ohmschen Verbraucher Ro, hier eine Glühlampe, anliegt. Im Ausführungsbeispiel wurde eine 120 V/300 W-Halogenglühlampe, wie sie in Projektoren eingesetzt wird, an 220 V betrieben. Die naheliegende Lösung, zwei derartige Halogenglühlampen in Reihe zu schalten, führt wegen der hohen Belastung einer der Wendeln beim Einschalten zum baldigen Ausfall einer der Lampen. Beim Betrieb an 220 V Netzspannung mit einer konventionellen Phasenanschnittsteuerung gemäß Figur 1 zeigt sich, daß bei den zulässigen Netzspannungsschwankungen von ⁺ 10 % eine Schwankung des Lichtstroms von mehr als 50 % (vgl. Tab. 1) auftritt.

[0011] Tab. 1: Betrieb einer 120 V/300 W-Halogenglühlampe an 220 V Netzspannung mit einer Phasenanschnittsteuerung ohne Kompensationsglied (UN = Netzspannung, PL = Leistung)

[0012] Dieses überproportionale Verhalten erklärt sich dadurch, daß bei Amplitudenschwankungen der Netzspannung sich nicht nur die Amplitude der Ausgangsspannung entsprechend ändert, sondern - bedingt durch den sich hierbei ebenfalls verändernden Strom im RC-Glied - auch der Schaltwinkel des Triacs Tr. Je größer der Schaltwinkel ist, desto mehr ändert sich die effektive Ausgangsspannung relativ zur Netzspannungsänderung. Eine konstante Lichtstärke erfordert eine konstante effektive Ausgangsspannung. Sie ließe sich unter der Voraussetzung einer konstanten Amplitude der Netzspannung dann erhalten, wenn es gelänge, den Schaltwinkel durch ständige Kompensation der Abweichungen konstant zu halten. Im Betrieb sind jedoch Amplitudenschwankungen der Netzspannung unvermeidlich. Dieses Problem kann mit einer einfachen, jedoch außerordentlich wirksamen Maßnahme gelöst werden, indem die Abweichungen des Schaltwinkels nicht nur kompensiert, sondern in entsprechendem Maße überkompensiert werden.

[0013] Eine Schaltungsanordnung, die dieses Ziel erreicht, ist in Figur 2 angegeben. Das RC-Glied setzt sich zusammen aus dem Kondensator C und dem Widerstandsblock R, gebildet aus den Widerständen R1 (bestehend aus zwei Teilwiderständen, von denen einer regelbar ist) und R2. Der Diac DT triggert den Triac Tr nach dem gleichen Prinzip wie in Figur 1 bereits beschrieben.

[0014] Der Widerstand R3 dient lediglich zur Begrenzung des Zündstroms. Die Stabilisierung der effektiven Ausgangsspannung erfolgt über ein Kompensationsglied K, das aus zwei Diacs Dl, D2 besteht, die über R1 dem Kondensator C parallelgeschaltet sind. Diese einfache Schaltungsanordnung läßt sich sehr kompakt ausführen und kann daher direkt in die Leuchte integriert werden.

[0015] Die Wirkung des Kompensationsglieds beruht auf dem bekannten negativen Spannungsverhalten eines Diacs, verglichen mit dem als positives Spannungsverhalten charakterisierbaren Aufladevorgang des Zeitglieds R1C. Zur Kompensation der Netzspannungsänderungen ist eine definierte Stromänderung über D1, D2 erforderlich. Die hieraus bestimmte Regelkreisimpedanz wird durch die Reihenschaltung des Kompensationsglieds K mit einem Schaltkreis Z realisiert, der aus einem der Impedanz entsprechenden Vorwiderstand R4 und zwei gegensinnig gepolten Zenerdioden Z1, Z2 besteht. Die Größe der Zenerspannung wird dabei durch die Forderung bestimmt, daß bei der Netznennspannung und der Nennausgangsleistung über K und Z der nötige Strom für die Mitte des Regelbereiches fließen soll.

[0016] Tab. 2: Betrieb einer 120 V/300 W-Halogenglühlampe an 220 V Netzspannung mit einer Phasenanschnittsteuerung mit Kompensationsglied (UN = Netzspannung, PL = Leistung)

[0017] Mit der Schaltungsanordnung nach Figur 2 ergibt sich eine ausgezeichnete Stabilisierung des Lichtstroms der 120 V/300 W-Halogenglühlampe, wie Tab. 2 verdeutlicht. Hierbei wurden für die Phasenanschnittsteuerung die in der Tabelle 3 aufgeführten Bauteile verwendet. Bei einer Schwankung der Netzspannung von ±10 % liegt die Schwankung des Lichtstroms jetzt deutlich unter 1 %.

[0018] Tabelle 3: Bestückung einer Phasenanschnittsteuerung mit Kompensationsglied zum Betrieb einer 120 V/ 300 W-Halogenglühlampe (Ro) an 220 V Netzspannung.

Ansprüche

1. Phasenanschnittsteuerung zum Betrieb eines ohmschen Verbrauchers an Netzwechselspannung, bestehend aus einem mit dem ohmschen Verbraucher (Ro) in Reihe geschalteten Triac (Tr), einem zum Triac (Tr) parallelliegenden RC-Glied mit einem Kondensator (C) und einem Widerstandsblock (R) - gebildet aus mindestens zwei in Serie liegenden Widerständen (R1, R2) - und einem Diac (DT), der zum einen an den Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator (C) und dem Widerstandsblock (R), zum andern an das Gitter des Triacs (Tr) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem aus dem Kondensator (C) und dem ihm benachbarten Widerstand (R1) gebildeten Zeitglied ein Kompensationsglied (K) parallelgeschaltet ist, das ein im Vergleich zum Kondensator (C) des Zeitgliedes entgegengesetztes Spannungsverhalten aufweist, wobei das Kompensationsglied (K) über einen dazu in Reihe liegenden Schaltkreis (Z) zur Impedanzfestlegung direkt an der Netzwechselspannung anliegt.

2. Phasenanschnittsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationsglied (K) aus mindestens zwei in Reihe geschalteten Diacs (D1, D2) besteht.

3. Phasenanschnittsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis (Z) zur Impedanzfestlegung aus der Reihenschaltung eines Vorwiderstands (R4) und zweier Zenerdioden (Z1, Z2) besteht, wobei die Zenerdioden (Z1, Z2) gegensinnig zueinander gepolt sind.

4. Phasenanschnittsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Verbraucher (Ro) eine Glühlampe ist.

5. Phasenanschnittsteuerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühlampe ursprünglich für den Betrieb mit einer Spannung ausgelegt ist, die kleiner als die zur Verfügung stehende Netzspannung ist.

Zeichnung