Bildergalerie
Bild 2: Lösung für die Halbwellen-Ansteuerung eines Wechselstromschalters mit Seriendiode.
Bild 3: Lösung für die Halbwellen-Ansteuerung eines Wechselstromschalters mit Paralleldiode.
Bild 4: Schaltplan für die Vollwellen-Ansteuerung eines Wechselstromschalters per Opto-Triac.
Bild 5: Diagramm zur Funktionsweise der Schaltung aus Bild 4.

Ist eine galvanische Trennung zwischen Mikrocontroller und Wechselstromschalter erforderlich? Der Bezugspunkt für das Ansteuern eines Wechselstromschalters kann Verbindung zur Netzspannung haben. Wenn also ein Mikrocontroller (MCU) den Wechselstromschalter direkt ansteuert, hat auch dieser eine direkte Verbindung zum Netzpotenzial.

Bild 1: Schaltzeichen (a) und vereinfachter Aufbau (b) eines Wechselstromschalters.

Bild 1: Schaltzeichen (a) und vereinfachter Aufbau (b) eines Wechselstromschalters.STMicroelectronics

Man war in der Vergangenheit der Auffassung, dass eine direkte Verbindung zwischen MCU und Stromnetz vermieden werden muss, da sie die Störimmunität des jeweiligen Geräts beeinträchtigt. Im Laufe der Jahre konnte jedoch nachgewiesen werden, dass eine solche Anordnung durchaus gute Störimmunitäts-Eigenschaften vorweisen kann und dass der Anschluss eines Mikrocontrollers an einen stabilen, nicht potenzialfreien Bezugspunkt günstig für die Störsicherheit ist.

Eine Betriebsisolation wird benötigt, wenn der Bezugspunkt der Steuerungsschaltung nicht identisch mit dem Bezugspunkt des Wechselstromschalters ist. Dies ist u.a. bei neuen Geräten der Fall, in denen ein Umrichter zur Ansteuerung eines Drei-Phasen-Motors dient und der Mikrocontroller an den Gleichstromkreis angeschlossen ist, während der Wechselstromschalter mit dem Wechselstromnetz verbunden ist. Hier wird ein Pegelumsetzer für die Kommunikation zwischen MCU und Wechselstromschalter benötigt. Es ist üblich, für diese Aufgabe einen Opto-Triac zu verwenden, doch funktioniert ein solches Bauelement nicht einwandfrei bei der Vollwellen-Ansteuerung von Wechselstromschaltern.

Galvanische Trennung per Opto-Triac

Wechselstromschalter dienen der Steuerung von Verbrauchern, die direkt an das Wechselstromnetz angeschlossen sind. Der Artikel widmet sich der Notwendigkeit einer galvanischen Trennung der Ansteuereinheit und der Frage, wie sich diese im besonderen Fall eines Wechselstromschalters implementieren lässt.

Opto-Triac zum Ansteuern eines Wechselstromschalters

Die heute angebotenen Wechselstromschalter basieren auf den verschiedensten Technologien und Designs. Am bekanntesten sind Standard-Triacs, Snubberless-Triacs sowie die Anfang der 1990er Jahre vorgestellten Wechselstromschalter.

Um einen Triac oder einen Wechselstromschalter einzuschalten, muss ein Gate-Strom zwischen dem Gate (G) und dem Anschluss A1 (bei einem Triac) bzw. zwischen Gate und COM-Anschluss (bei einem Wechselstromschalter) fließen. Bei einem Triac spielt die Richtung des Stroms keine Rolle, was den beiden antiparallel geschalteten Dioden zwischen G und A1 zu verdanken ist.

In seinem inneren Aufbau unterscheidet sich ein Wechselstromschalter von einem Triac, denn das Gate ist hier der Emitter eines NPN-Bipolartransistors. Es ist deshalb nur eine PN-Sperrschicht (implementiert durch P1 und N1 im Bild 1) vorhanden, sodass der Strom ausschließlich aus dem Gate heraus, aber nicht in das Gate hinein fließen kann.

Um einen Triac galvanisch isoliert anzusteuern, setzt man in der Regel einen Opto-Triac in Serienschaltung mit den Anschlüssen A2 und G des Triacs ein. Zusätzlich wird ein Widerstand in Reihe geschaltet, um die Stromstärke für das Gate zu reduzieren. Gezündet wird der Baustein durch einen positiven Gate-Strom, wenn die am Triac liegende Spannung unmittelbar vor dem Einschalten positiv ist, bzw. durch einen negativen Strom im umgekehrten Fall. Eine solche Lösung eignet sich für alle Triacs. Die Zündung des Triacs erfolgt dabei in den Quadranten Q1 und Q3.

Da Wechselstromschalter ausschließlich von Strömen mit negativem Vorzeichen gezündet werden können, steuert ein Opto-Triac den Wechselstromschalter nur bei negativer Netzspannung an. Der Verbraucher erhält deshalb immer nur während jeder zweiten Halbwelle Strom, was für die meisten Anwendungen nicht sinnvoll ist. Allerdings gibt es inzwischen neuere Applikationen, in denen dieses Verhalten gewünscht ist. – beispielsweise bestimmte Pumpen in Kaffeemaschinen, die über eine eingebaute Diode verfügen, oder Elektromagnete für die Türverriegelung von Waschmaschinen.

Hier kommt deshalb ein Wechselstromschalter, angesteuert durch einen Opto-Triac, durchaus in Frage. Dabei muss lediglich beachtet werden, dass die Potenzialdifferenz zwischen G und COM nicht größer als 10 V sein darf, um die G-COM-Sperrschicht nicht zu zerstören. Zwei Lösungen bieten sich an, um das Anlegen der positiven Halbwelle der Netzspannung bei eingeschaltetem Opto-Triac zu verhindern:

  • Blockieren der positiven Spannung mithilfe einer Hochspannungs-Diode in Reihe mit dem Opto-Triac (Bild 2).
  • Verwendung einer Niederspannungs-Diode parallel zur COM-G-Sperrschicht (Bild 3) als Bypass für die hohe positive Spannung.

Anzumerken ist, dass im ersten Fall der Opto-Triac und die Diode durch einen in Sperrrichtung gepolten Opto-Thyristor, dessen Anode mit dem Gate des Wechselstromschalters verbunden ist, ersetzt werden sollten.

Vollwellen-Ansteuerung mit Opto-Triac

In Hausgeräte-Anwendungen müssen die meisten Verbraucher im Vollwellen-Modus angesteuert werden. Eine Anpassung der soeben angeführten Schaltungen mit dem Ziel, das Zünden des Wechselstromschalters bei beiden Halbwellen zu gewährleisten, wird verworfen. Die Lösung besteht vielmehr darin, einen Niederspannungs-Kondensator hinzuzufügen, der am Beginn der positiven Halbwelle einen Strom in das Gate fließen lässt. In dem Schaltplan zu dieser Lösung sind zwei Niederspannungs-Dioden zu erkennen (Bild 4). Das Funktionsprinzip geht aus Bild 5 hervor:

  • 1. Der Opto-Triac schaltet ein und lädt den Kondensator C auf VGT (ca. 0,7 V) auf. Die COM-G-Sperrschicht wird dadurch leitend, und der Wechselstromschalter wird durch einen negativen Gate-Strom gezündet.
  • 2. Der Wechselstromschalter bleibt bis zum nächsten Nulldurchgang eingeschaltet. Die G-COM-Spannung wird wegen des leitenden Wechselstromschalters auf 0,7 V gehalten, und C bleibt geladen.
  • 3. Mit zunehmender Stromstärke im Wechselstromschalter steigt auch VG-COM an, sodass von C ein negativer Strom kommt, der den Wechselstromschalter für die folgende Halbwelle einschaltet.

In dieser Lösung bleibt der Wechselstromschalter am Beginn einer jeden Halbwelle so lange abgeschaltet, wie es für das erneute Aufladen des Kondensators C erforderlich ist. Der Wechselstromschalter schaltet ein, sobald die an ihm liegende Spannung einen Wert von ungefähr 10 V erreicht. Starke leitungsgebundene Störungen sind durch dieses Verhalten nicht zu befürchten, denn der aus dem Netz entnommene Strom ist wegen des nach dem Nulldurchgang in den Kondensator fließenden Ladestroms nach wie vor weitgehend sinusförmig.