Synchronschalter in CMOS

[ELEK]

Hallo zusammen,

Kurzvorstellung eines Gerätes, das ich mal außerhalb des Hobbyraumes für eine Spezialanwendung benötige: Ein Synchronschalter, dessen Einschaltzeitpunkt sich in gewissen Schritten vom Nulldurchgang der Netzfrequenz verändern läßt.

Erste Überlegung war "Analogtechnik": Nulldurchgangserfassung - Triggerung eines Sägezahngenerators mit dem Nulldurchgang, an Komparator geben und mit veränderlicher Gleichspannung vergleichen, damit hat man stetige Verschiebungsmöglichkeit .... voila.
So schön solche analogen Lösungen sind, ich wollte an dieser Stelle mal eine digitale und damit "verläßlichere" Lösung haben, die nicht von analogen Driftereien etc. abhängt:

Also besser: Nulldurchgang läßt einen Zähler losrennen, der von einem mit der Netzfrequenz synchronisierten Rechteckgenerator (n x 50Hz) gesteuert wird, der zählt ab Nulldurchgang voreingestellten Zählwert bis Null und gibt den Einschaltbefehl, Zählerstand ist BCD-mäßig einstellbar.
Natürlich muß der Zähler dann bis zum nächsten Nulldurchgang gestoppt werden, das war die meiste "Denkarbeit".
Das geht mit einem Flipflop, das durch den richtigen Nulldurchgang gesetzt und durch den fertigen Zähler zurückgesetzt wird, bis der nächste richtige Nulldurchgang kommt. Ich wollt hier vermeiden, Zeitglieder zu verwenden, das wäre die einfachste Methode, ich bin da aber kein Freund von, genausowenig von trivialen Monoflops mit Kondensator und Diode, wobei ich eines aus Bequemlichkeit verwendet hab.

Der Einschaltbefehl steuert mit der Einschalt-Taste (UND-verknüpft) einen Optokoppler, der dann mit eigener Ansteuerung einen schnellen Reedkontakt über eigenes Netzteil ansteuert. Warum kein Transistor ? Die speziellen Anforderungen erfordern diese Art des Leistungsschalters, Robustheit ist hier das Stichwort, auch gegenüber eingekoppelter Hochspannungsimpulse. Der Reedkontakt hat ca. 3ms Einschaltverzug, der eingerechnet werden kann.

Hier die Schaltung in Manhattan-Technik mit den bekannten "Stromschienen", mit selbst gefertigten IC-Experimentierplatinen (Igel-Technik^^):

   

Netzsinus und Einschaltimpuls für die "Endstufe", dargestellt mit dem C1-55, ein rel. guter, echter Zweistrahler aus dem befreundeten Russland:

   

Die gesamte Schaltung samt Netzteilen ist in einen größeren Abzweigkasten mit durchsichtigem Deckel eingebaut worden, alles rel. hübsch für meine Verhältnisse (muß ja roadtauglich sein) mit ordentlichen Buchsen und so :


   

Schaltung:

   


Das Ganze tut erstmal wie es soll, der Einschaltimpuls läßt sich in 20 Schritten über die 360° verschieben (allerdings muß ich noch bei 180...360° umschalten, da geht auch noch was...), das reicht für unsere Zwecke erstmal, das Grundprinzip ließe sich aber noch aufbohren... Was noch besser gehen könnte, wäre der synchronisierbare Oszillator, viell. als PLL mit dem 4046 ? Malschauen... Zz. ist es ein einfacher Doppelgatter-R-C-Schwinger mit 2 invertierenden Buffern, mit einer Diode läßt sich der stoppen (Tip aus einem CMOS-Buch der 70er ! )  und damit läuft das mit jedem Nulldurchgang los und bleibt damit auch ganz gut im Takt, ist natürlich ein bischen bluesig, aber die Zeit drängte etwas...

Gruß Ingo

[Grießgram]

Hallo Ingo,
Das Thema Synchronschalter ist schon interessant. Die technische Lösung auch.
Nur will mir nicht richtig ins Hirn wie bei 10 ms/Halbwelle und 3 ms Reaktionszeit vom Reedkontakt ein vernünftiger Bereich überstrichen werden kann.
Da bietet die Industrie fertige Baugruppen an: Solid State Relais.
Die haben allesamt einen Optokoppler als Eingang. Manche schalten nur im Null-Durchgang. Andere zu beliebigem Zeitpunkt. Lässt sich auch nachbauen mit Triac.
Gruß Manfred

[ELEK]

Hallo Manfred,

wir haben noch weitere Verzögerungen in der Kette, die sogar 2 Halbwellen überstreichen.
Wichtig ist ja v.a die Streuung der Verzugszeiten, wenn der in die Region einer Halbwelle kommt, ist das Ganze nicht mehr sinnvoll. Relativ konstante Verzugszeiten mit Streuungen im Bereich kleiner 10% (bei den 40ms natürlich weniger, es ist auch tatsächlich erstaunlich wenig Streuung!) lassen sich noch ganz gut beherrschen, wie unsere derzeitigen Erfahrungen zeigen, wenn der Synchronschalter funzt.

Die Einschaltung muß in der Nähe des Maximums einer Halbwelle geschehen, also im Bereich 70...110°.

Deshalb war es wichtig, den Einschaltzeitpunkt variabel zu gestalten, man könnte die Auflösung auch noch etwas erhöhen, bei mehr als 32 wäre ein zweiter Zählerbaustein erforderlich, da ein 4029 nur bis 16 zählen kann im binären Modus.

Die moderneren Lösungen sind bekannt, Leistungshalbleiter mit automatischer Nulldurchgangs-Einschalter wären hier aus o.g. Gründen nicht einsetzbar, aber wir haben auch Versuche mit leistungsstarken IGBT und allg. solid-state-Relais gemacht, die durch externe Hochspannungsimpulse trotz Unterschreitung der Nenndaten zerstört wurden (harte industrielle Umgebung).
Ich hätte mir das Ganze nicht so kritisch vorgestellt und gebe zu, daß wir hier noch am Lernen sind, vielleicht machen wir auch noch grundsätzliche Fehler... Die Schalterei ist auch nur eine Nebenbaustelle. Der Reedkontakt ist erstmal eine schnelle Lösung, die die Probleme mit Hochspannungsimpulsen weitgehend vermeidet, deshalb auch die doppelte Barriere zur Steuerlogik.

Es gibt längerfristig sicher elegantere Lösungen, heute mit Mikro-Controller, die CMOS-70-er-Jahre-Lösung ist nur eine Variante, an der moderneren Lösung arbeiten wir aber auch, mit einfacher LWL-Anbindung zur sicheren Trennung.

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Danke für die Rückmeldung, das ist ja recht weit von Radio entfernt, aber vielleicht aus Sicht allgemeiner Elektronik u.U. interessant... Man könnte das auch als "bad-ass"-Dimmer mit digitaler Steuerung betreiben, wenn jemanden so etwas mal bauen will ^^ Dann sollte es natürlich in beiden Halbwellen ordentlich zu gleicher Zeit einschalten.

Gruß Ingo