Stand: 2004-03
Thomas Mertin
Netzwerk- und Elektrotechnik
D-41334 Nettetal
Schaltungsprinzip eines Steuersatzes mit Operationsverstärker
Blockschaltbild
U16 = Versorgungsspannung (8...18V); U8 = Referenzspannung (URef = 3,1V); R9 = Rampenwiderstand (R
Kapazität CI |
0 |
100pF |
220pF |
330pF |
680pF |
1000pF |
Zündimpulsbreite β |
30µs |
80µs |
130µs |
200µs |
370µs |
550µs |
Der überwiegende Teil der Schaltung wird von einer intern auf 3,1V geregelten Spannungsquelle versorgt. Damit sind die wesentlichen Parameter von der Versorgungsgleichspannung unabhängig und ein weiter Versorgungsbereich von 8...18V zulässig. Plus der Versorgungsspannung ist an Pin 16, Minus an Pin 1 (Bezugspotential Masse) zu legen. Die Stromaufnahme beträgt etwa 5mA und bleibt über den gesamten Versorgungsspannungsbereich nahezu konstant.
Die geregelte Spannung (3,1V) ist über einen internen Entkopplungswiderstand über Pin 8 herausgeführt. Zur Erhöhung der Störfestigkeit kann dieser Punkt mit einem Stützkondensator C8 gegen Masse beschaltet werden. In Stromrichterschaltungen, die mehrere Schaltkreise erfordern, müssen diese Punkte parallelgeschaltet werden, um in allen Phasen bzw. gesteuerten Stromrichterzweigen für die Steuerung gleiche Voraussetzungen zu schaffen.
Die Synchronisier-Wechselspannung U5 ist an Pin 5 mit Masse an Pin 1 zu legen. Die Synchronisation erfolgt über einen hochempfindlichen Nulldetektor. Ihm ist ein Synchronisierspeicher nachgeschaltet, der einen Rampengenerator (Sägezahn) steuert. Der Rampengenerator besteht im wesentlichen aus einer Konstantstromquelle, die über Pin 10 einen externen Kondensator C10 (≤ 0,5µF) zeitlinear auflädt. Ihr Strom kann über Pin 9 mit einem externen Widerstand R9 (20...50kΩ) eingestellt werden. Die RC-Kombination R9-C10 bestimmt damit die Spannungssteilheit der Rampenspannung U10.
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Impulsdiagramm für Kurzimpuls (≈ 30µs) |
Die Steuergleichspannung U11 ist an Pin 11 zu legen. Ihren Wert vergleicht der Steuerkomparator mit der Rampenspannung U10 und startet die jeweiligen Ausgangsimpulse bei Steuerwinkel α. Die ihm nachgeschaltete Logik bildet dann über verschiedene Verknüpfungsschaltungen die Art und die Länge (Breite) der verschiedenen (gegen Masse positiven) Ausgangsimpulse.
Beide Hauptausgänge A1 (Pin 14) und A2 (Pin 15) sind als Emitterfolger aufgebaut und bis maximal 55mA belastbar. Sie sind Halbwellen gleicher Polarität zugeordnet. A1 liefert Impulse nur in negativen Halbwellen, A2 nur in positiven Halbwellen der Synchronisierspannung. Die Impulsdauer beträgt etwa β = 30µs (Kurzimpuls, ohne Beschaltung an Pin 12). Sie läßt sich mit einem externen Kondensator C12 nahezu beliebig verlängern. Wird der Schaltpunkt Pin 12 mit Masse kurzgeschlossen, ergeben sich Impulsbreiten von β = 180° - α (Langimpulse).
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Impulsdiagramm für Langimpuls (180° - α), Pin 12 an Masse |
(Pin 4) und 
(Pin 2) sind als offene Kollektoren aufgebaut und damit bis maximal 1,5mA belastbar. An beiden Ausgängen kann ein Signal nur abgenommen werden, wenn extern Kollektorwiderstände R4 bzw. R2 (≈ 15kΩ) jeweils zwischen Ausgang und Pluspol geschaltet sind. das abgegebene Signal entspricht dem Invers-Signal von A1 bzw. A2. Die Impulsdauer (Ausgang gegen Pluspol) beträgt etwa β = 30µs. Wird der Schaltpunkt Pin 13 mit Masse verbunden, ergeben sich auch hier Impulsbreiten (Ausgang gegen Pluspol) von β = 180 - α (Langimpulsumschaltung).
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Impulsdiagramm für Langimpuls (180° - &alpha), Pin 13 an Masse |
Aus Gründen erhöhter Störsicherheit wird empfohlen, den Ausgang Z (Pin 7) bei Nichtbenutzung der Hilfsausgänge mit Masse zu verbinden.
Über die Impulssperre, Inhibit (Pin 6) kann gleichzeitig an allen Ausgängen die Abgabe weiterer Impulse verhindert werden. Der Schaltpunkt Pin 6 ist mit Masse zu verbinden. Man kann hierzu Schalter, Relaiskontakt oder NPN-Transistor benutzen.
Phasenanschnittsteuerung mit direkt angesteuertem Thyristor (M1C-SR)
Thyristor: BSt C0540 mit Alu-Kühlblech (130 x 120 x 1,5mm); D1 = SSi B3640;
D2 = D3 = BAY61; D4 = BZY97; D5 =
SSi B3610
Ausgangsspannung bei 220V UdGAV = 99V
minimaler Lastwiderstand RL = 25Ω, ITAV = 4A; Pd = 396W
maximaler Lastwiderstand RL = 326Ω, ITAV = 0,3A
Der Phasenwinkel ist zwischen 0 und 180°, die Leistung am Verbraucher zwischen 0 und 400W einstellbar.
Die Versorgungsspannung wird direkt über einen Vorwiderstand R1 aus dem Netz erzeugt, durch die Diode D1 gleichgerichtet und von der Z-Diode D4 auf 15V stabilisiert.
Der Synchronisiereingang ist über einen Vorwiderstand von 1,2MΩ an Phase L1 angeschlossen und über zwei antiparallel geschaltete Dioden (D2, D3) mit Massepotential verbunden. Die beiden Dioden begrenzen die Spannung für den Synchronisiereingang auf etwa ±0,6V.
Die Frequenz des Rampengenerators wird durch den Nulldetektor festgelegt, d.h. bei jedem Nulldurchgang der Netzfrequenz wird die sägezahnförmige Spannung von neuem gestartet. Die Steilheit des Spannungsanstiegs wird durch den Rampenkondensator und den Rampenwiderstand eingestellt. Die Sägezahnamplitude beträgt in der vorliegenden Schaltung 7V.
Die Steuerspannung U11 ist mit Potentiometer von 0 bis 8V einstellbar. Damit läßt sich ein Stromflußwinkel an der Last von 0 bis 180° einstellen. In der vorliegenden Halbwellensteuerung ist der Thyristor nur in einer Richtung leitend geschaltet. Daher ist nur der Ausgang A2 mit dem Thyristor-Gate zu verbinden. An das Gate wird während der positiven Halbwelle ein positiver Zündimpuls im Abstand von 20ms abgegeben. Der Ausgang A1, der einen positiven Zündimpuls während der negativen Halbwelle abgibt, bleibt unbeschaltet. Die Ausgangsimpulsbreite ist vom Kondensator am Pin 12 abhängig. In der Schaltung wird der Thyristor durch einen Impuls von 200µs Breite mit 47mA Zündstrom angesteuert.
Positive Zündimpulse treten während der positiven Netzhalbwelle nur dann auf, wenn das Potential am Inhibiteingang > 3,5V ist. Daher ist ein Widerstand von 15k&Omega mit der Betriebsspannung verbunden. Sinkt die Spannung am Inhibiteingang auf einen Wert unter 2V, werden die Ausgangsimpulse gesperrt. Durch einen Kurzschluß von Pin 6 gegen Masse bzw. N etwa durch einen Schalter oder eine Logik, wird die Last abgeschaltet und zwar unabhängig von allen anderen Signalzuständen.
Phasenanschnittsteuerung mit direkt angesteuertem Thyristor (M1C-SR) mit interner Steuerspannungsversorgung
minimaler Lastwiderstand RL = 25Ω; maximaler Lastwiderstand RL = 326Ω
Die Steuerspannung zum Einstellen des Phasenwinkels wird von der Referenzspannung 3,1V des TCA 780 abgenommen. Durch diese niedrige Steuerspannung muß der Sägezahngenerator auf eine Sägezahnamplitude von 2,4V mit C = 0,1µF und R = 130kΩ eingestellt werden.
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(1) Pull-up Widerstand für Impulsfreigabe
(2) Dioden begrenzen Synchronisierspannung auf ±0,6V
(3) Rampenwiderstand zur Einstellung der Rampensteilheit
(4) Rampenkondensator zur Einstellung der Rampensteilheit
(5) Pull-up Widerstand für Kurzimpulse
(6) Einstellung der Steuerspannung für Zündwinkel
(7) Zündimpulsverstärker für positive Halbwelle
(8) Überspannungsschutz für den Transistor
(9) Spannungsgegenkopplung; verhindert Schwingen bei hohen Frequenzen (setzt die Verstärkung herab)
(10) Zündimpulsübertrager zur galvanischen Trennung von Steuerteil und Leistungsteil
(11) TSE-Schutzschaltung
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