DE10012362A1 - Elektronischer Transformator - Google Patents

Elektronischer Transformator

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Abstract

Bei einem elektronischen Transformator zum Betreiben mindestens einer Niedervolt-Halogenlampe (L), mit einem Wechselrichter (3) mit zwei ein- und ausschaltbaren Schaltern (V1, V2) zum Bereitstellen einer Ausgangs-Wechselspannung und mit einem Übertrager (4, Tp, Ts1, Ts2), der eingagsseitig mit dem Wechselrichter (3) verbunden ist und an den ausgangsseitig ein die mindestens eine Niedervolt-Halogenlampe (L) aufweisender Lastkreis angeschlossen ist, weist der Lastkreis eine Schaltung zum Gleichrichten der auf ihn übertragenen Wechselspannung auf. Um die Effektivität der Schaltung zu erhöhen, erfolgt die Gleichrichtung durch aktive Schaltelemente (S1, S2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektronischen Transformator zum Betreiben mindestens einer Niedervolt-Halogenlampe nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Das Grundprinzip derartiger elektronischer Transformatoren ist aus C. H. Sturm/E. Klein "Betriebsgeräte und Schaltungen für elektrische Lampen", Siemens Aktiengesellschaft, 1992, Seiten 295 ff bekannt. Ihr allgemeiner Aufbau sowie die Funktionsweise ist in Fig. 3 dargestellt. Zunächst weist der elektronische Transformator ein Oberwellenfilter 1 zur Funkentstörung auf, welches eingangsseitig an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, die im vorliegenden Beispiel eine Versorgungswechselspannung mit einer Frequenz von 50 Hz abgibt. Mit dem Oberwellenfilter 1 ist eine Gleichrichterschaltung 2 verbunden, beispielsweise eine einfache Diodenschaltung, welche die Versorgungswechselspannung gleichrichtet. Die von der Gleichrichterschaltung 2 erzeugte gleichgerichtete Zwischenkreisspannung wird schließlich einem Wechselrichter 3 zugeführt, der üblicherweise zwei in einer Halbbrückenschaltung angeordnete Schalter - beispielsweise Leistungstransistoren - aufweist, die nach einem bestimmten Schema abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden, so daß sich auf diese Weise eine in Rechteckblöcke zerhackte Spannung ergibt, die mit der gleichgerichteten Netzspannung moduliert ist. Die so erzeugte Wechselspannung wird mittels eines Übertragers 4 auf einen ausgangsseitigen Lastkreis übertragen und dabei auf eine für die in dem Lastkreis angeordnete Niedervolt- Halogenlampe L notwendige Kleinspannung transformiert.
Üblicherweise befindet sich in dem Lastkreis zusätzlich eine Glättungsschaltung 6 sowie - dieser vorgeordnet - eine weitere Schaltun 5 zum Gleichrichten der übertragenen Wechselspannung. Beispielsweise kann hierfür ein einfacher Zweiweggleichrichter mit zwei Dioden verwendet werden. Aufgrund ihrer hohen Verlustleistungen, die insbesondere bei den hohen Strömen in dem vorliegenden Anwendungsbereich relevant sind, sind die Dioden allerdings einer entsprechend hohen thermischen Belastung ausgesetzt, die bis zum deren Ausfall führen kann.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bekannten elektronischen Transformatoren zum Betreiben von Niedervolt-Halogenlampen dahingehend zu verbessern, daß die oben genannten thermischen Belastungen für die Bauelemente vermieden werden.
Die Aufgabe wird durch einen elektronischen Transformator, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Dieser zeichnet sich dadurch aus, daß die in dem Lastkreis angeordnete Gleichrichterschaltung aktive Schaltelemente aufweist. Insbesondere können hierfür Feldeffekttransistoren verwendet werden, welche durch eine geeignete Ansteuerung ein effektives Gleichrichten der in den Lastkreis übertragenen und der Niedervolt-Halogenlampe zugeführten Wechselspannung bewirken. Durch die wesentlich niedrigeren Verlustleistungen der Feldeffekttransistoren kann ferner auch der Wirkungsgrad des elektronischen Transformators insgesamt verbessert werden.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. So können die beiden aktiven Schaltelemente vorzugsweise in Form eines Zweiweggleichrichters angeordnet sein. Werden zum Gleichrichten Feldeffekttransistoren verwendet, so können diese extern angesteuert werden. Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausführungsform, werden die Gate-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren allerdings mit geeigneten Abgreifpunkten in dem Lastkreis verbunden, so daß sie entsprechend der übertragenen Wechselspannung automatisch angesteuert werden, wodurch eine besonders einfache Schaltung ermöglicht wird. Um ein ordnungsgemäßes Schalten der Feldeffekttransistoren zusätzlich zu unterstützen, können ferner die beiden Schalter des Wechselrichters derart angesteuert werden, daß eine Totzeit zwischen dem Schließen eines der beiden Schalter und dem folgenden Öffnen des anderen Schalters verbleibt.
Ein weitere Weiterbildung betrifft eine besonders vorteilhafte Ansteuerung der beiden Schalter des Wechselrichters, um ein Dimmen der Niedervolt-Halogenlampe zu ermöglichen. Üblicherweise erfolgt nämlich das Dimmen mittels einer sog. Phasenanschnitts- bzw. Phasenabschnittssteuerung, bei der die beiden Schalter des Wechselrichters entsprechend dem gewünschten Dimmgrad während einer Halbwelle der gleichgerichteten Versorgungswechselspannung nur für einen bestimmten Zeitraum getaktet werden. Bei diesem sog. internen Dimmen von elektronischen Transformatoren können allerdings aufgrund des Phasenanschnitts bzw. Phasenabschnitts hohe Spannungssprünge auftreten, die wiederum - da sie eine der Versorgungs­ wechselspannung entsprechende Frequenz aufweisen - zu deutlich hörbaren Geräuschen führen können.
Gemäß der vorteilhaften Weiterbildung erfolgt nun das Dimmen dadurch, daß das Tastverhältnis für die beiden Schalter des Wechselrichters verändert wird, indem die Totzeit zwischen dem Schließen eines der beiden Schalter und dem folgenden Öffnen des anderen Schalters konstant bleibt und die Einschaltzeit jeweils verkürzt wird. Mit diesem Verfahrens, bei dem die beiden Schalter des Wechselrichters fortwährend getaktet werden, können die bei einer Phasenanschnitt- bzw. Phasenabschnittssteuerung auftretenden hohen Spannungssprünge vermieden werden. Lediglich die Schaltfrequenzen für die beiden Schalter werden derart verändert, daß sich an der Ausgangsseite des Übertragers eine dem gewünschten Dimmgrad entsprechende reduzierte effektive Spannung einstellt.
Im Vergleich zu den anderen Dimmverfahren werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beim Dimmen die Schaltfrequenzen durch das Reduzieren der Einschaltzeiten der Schalter erhöht, so daß die Möglichkeit besteht, die Halbbrückenschalter unabhängig von dem Grad des Dimmen in einem Frequenzbereich zu betreiben, der oberhalb der menschlichen Hörgrenze liegt und somit zu keinen Geräuschbelästigungen führt. Vorzugsweise werden die beiden Schalter in einem Frequenzbereich zwischen 35 kHz - für den ungedimmten Zustand - und 300 kHz - für eine maximale Dimmung - betrieben. Ferner werden die Schalter vorzugsweise derart angesteuert, daß ihr Tastverhältnis gleich ist.
Die Konstanthaltung der Totzeit eröffnet außerdem die Möglichkeit, die beiden Schalter des Wechselrichters derart anzusteuern, daß sie, unabhängig von dem eingestellten Dimmgrad, jeweils zu einem Zeitpunkt schalten, zu dem keine Spannung an ihnen anliegt. Dies entspricht dem sog. Nullpunktschalten bzw. zero voltage switch, bei dem Schaltverluste vermieden werden. Somit wird durch die vorliegende Erfindung ein elektronischer Transformator zum Betreiben einer Niedervolt-Halogenlampe angegeben, der zum einen einen hohen Wirkungsgrad aufweist und zum anderen ein geräuschloses Dimmen der Lampe ermöglicht.
Im folgenden soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 den Wechselrichter, Übertrager und Lastkreis des erfindungsgemäßen elektronischen Transformators;
Fig. 2 das Taktschema eine vorteilhaften Ansteuerung der beiden Schalter des Wechselrichters; und
Fig. 3 den allgemeinen Aufbau eines elektronischen Transformators, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist.
An den Eingang des in Fig. 1 dargestellten Wechselrichters wird die von dem (nicht dargestellten) Gleichrichter gleichgerichtete Versorgungswechselspannung angelegt. Das Ansteuern der beiden in einer Halbbrückenanordnung angeordneten Schalter V1 und V2, bei denen es sich um Feldeffekttransistoren handelt, erfolgt durch einen Halbbrückentreiber HB, der wiederum von einer Steuerschaltung uC in Form eines Mikroprozessors gesteuert wird. Die beiden Schalter V1 und V2 werden abwechselnd ein- und ausgeschaltet, so daß an dem Verbindungspunkt zwischen den beiden Halbbrückenkondensatoren C2 und C3, die zu den beiden Feldeffekttransistoren V1 und V2 parallel geschaltet sind, eine rechteckförmige Spannung auftritt, die mit der gleichgerichteten und halbsinusförmigen Zwischenkreisspannung moduliert ist. Diese Wechselspannung wird durch die zwischen den Verbindungspunkten der beiden Schalter V1 und V2 sowie der beiden Zwischenkreiskondensatoren C2 und C3 angeordnete Primärwicklung Tp eines Übertragers auf den Lastkreis übertragen. Ein aus der Spule L1 und dem Kondensator C1 gebildetes LC-Glied sorgt für eine Unterdrückung von Oberschwingungen.
In dem Lastkreis befinden sich zwei Sekundärwicklungen Ts1 und Ts2 des Übertragers, an deren gemeinsamen Knotenpunkt M die Niedervolt-Halogenlampe L angeschlossen ist. Alternativ dazu kann auch eine einzige Sekundärwicklung mit einem Mittenabgriff vorgesehen sein. Zwischen den Sekundärwicklungen Ts1 und Ts2 und der Niedervolt- Halogenlampe L befindet sich ein durch eine Spule L2 und einen Kondensator C4 gebildetes und als Tiefpaß wirkendes LC-Glied zum Glätten der hochfrequenten Wechselspannung. Zwei Feldeffekttransistoren S1 und S2, die in Form eines Zweiweggleichrichters angeordnet sind, sorgen für eine Gleichrichtung der der Niedervolt-Halogenlampe L zugeführten Wechselspannung.
Ein externes Ansteuern der beiden Feldeffekttransistoren S1 und S2 ist möglich, beispielsweise mit Hilfe der primärseitigen Steuerschaltung uC. In diesem Fall ist dann ggf. ein Übertrager zur Spannungsentkopplung notwendig. Eine einfachere und effektivere Möglichkeit zum Ansteuern der beiden Feldeffekttransistoren S1 und S2 ist in Fig. 1 dargestellt.
Hierfür ist der Gate-Anschluß des ersten Transistors S1 über einen Widerstand R1 mit dem dem Knotenpunkt M gegenüberliegenden Ende der ersten Sekundärwicklung Ts1 verbunden, während der Drain-Anschluß mit dem entsprechenden Ende der zweiten Sekundärwicklung Ts2 verbunden ist. In entgegengesetzter Weise ist der Gate-Anschluß des zweiten Transistors S2 über einen Widerstand R2 mit dem Ende der zweiten Sekundärwicklung Ts2 und der Drain-Anschluß mit dem Ende der ersten Sekundärwicklung Ts1 verbunden. Das aktive Gleichrichten der in den Lastkreis übertragenen Wechselspannung erfolgt dann folgendermaßen:
Je nach Polarität der übertragenen Wechselspannung liegt an dem dem Knotenpunkt M gegenüberliegenden Ende einer Sekundärwicklung Ts1 oder Ts2 ein hohes und an dem Ende der andere Sekundärwicklung Ts1 oder Ts2 ein niedriges Potential an. Der Knotenpunkt M selbst liegt hingegen immer auf einem mittleren Potential. Es sei nun vorausgesetzt, daß das dem Knotenpunkt M gegenüberliegende Ende der ersten Sekundärwicklung Ts1 auf hohem Potential liegt. In diesem Fall ist der erste Transistor S1 leitend, während der Transistor S2 sperrt. Hierdurch fließt dann ein Strom über die zweite Sekundärwicklung Ts2, die Lampe L und den ersten Transistor S1. In der nächsten Taktphase des primärseitigen Wechselrichters kehren sich die Spannungsverhältnisse um, so daß nun ein Strom über die erste Sekundärwicklung Ts1, die Lampe L und den zweiten nun geöffneten Transistor S2 fließt.
Auf diese Weise werden somit die beiden Feldeffekttransistoren S1 und S2 in einfacher aber effektiver Weise zu jedem Zeitpunkt richtig angesteuert. Wie zuvor erwähnt wurde, werden die beiden Schalter V1 und V2 des Wechselrichters vorzugsweise derart angesteuert, daß eine Totzeit zwischen dem Schließen eines der beiden Schalter und dem folgenden Öffnen des anderen Schalters verbleibt, wodurch das ordnungsgemäße Umschalten der Transistoren S1 und S2 unterstützt wird. Da die Verlustleistungen der Transistoren S1 und S2 sehr gering sind, wird ferner der Wirkungsgrad der Schaltung deutlich erhöht. Anstelle der Feldeffekttransistoren S1 und S2 wäre auch die Verwendung anderer steuerbarer Schalter, wie z. B. Relais möglich, solange sie für die auftretenden Schaltfrequenzen geeignet sind.
Abschließend soll noch ein bevorzugtes Ansteuern der beiden Halbbrückenschalter V1 und V2 anhand von Fig. 2, welche die Schaltzustände der beiden Schalter für zwei verschiedene Dimmstufen darstellt, ausführlicher erläutert werden. Das obere Taktschema in Fig. 2 zeigt dabei die Schaltzustände der beiden Halbbrückenschalter im ungedimmten Zustand - in durchgezogener Linie für den Schalter V1 sowie in gestrichelter Linie für den Schalter V2 - während das untere Taktschema die Schaltzustände in einem gedimmten Zustand darstellt.
Wie bereits erläutert wurde, werden die beiden Schalter derart angesteuert, daß sie abwechselnd eingeschaltet (Zustand I) und ausgeschaltet (Zustand 0) werden, wobei zwischen dem Schließen eines Schalters und dem folgenden Öffnen des anderen Schalters eine gewisse Totzeit ttot verbleibt, in der beide Schalter geschlossen sind. Durch diese Totzeit wird unter anderem sicher gestellt, daß kein Kurzschluß durch ein gleichzeitiges Schließen beider Schalter der Halbbrücke auftreten kann. Ferner kann damit allerdings auch erreicht werden, daß die beiden Schalter V1 und V2 jeweils zu einem Zeitpunkt verlustlos einschalten, zu dem keine Spannung an ihnen anliegt, da es aufgrund der in der Schaltung enthaltenen Blindwiderstände eine gewisse Zeit dauert, bis sich die Spannungsverhältnisse umdrehen. Ein derartiges verlustloses Schalten wird auch als "zero switching loss" bzw. "zero voltage switch" bezeichnet und kann zu einer deutlichen Erhöhung des Wirkungsgrads führen.
Das Tastverhältnis für die beiden Schalter wird durch das Verhältnis zwischen der Einschaltzeit tein und der Ausschaltzeit taus bestimmt. Dabei wird für den oberen dargestellten ungedimmten Zustand ein möglichst hohes Tastverhältnis gewählt, das vorzugsweise einer Schaltfrequenz f von ca. 35 kHz entspricht, wobei für die beiden Schalter das gleiche Tastverhältnis eingestellt wird.
Entsprechend der vorteilhaften Steuerung erfolgt das Dimmen der Niedervolt- Halogenlampe dadurch, daß die Dauer der Totzeit ttot beibehalten wird und lediglich die Einschaltzeit tein für beide Schalter gleichermaßen reduziert wird. Als Folge davon wird die Schaltfrequenz f insgesamt erhöht, wie dies dem unteren Taktschema in Fig. 2 zu entnehmen ist. Wird beispielsweise im ungedimmten Zustand bei einer Frequenz von 35 kHz eine ausgangsseitige Spannung von effektiv 12 Volt erreicht, so kann durch Erhöhen der Schaltfrequenz auf 300 kHz eine Reduzierung der ausgangsseitige Spannung von 4 Volt effektiv erzielt werden, wodurch die Niedervolt-Halogenlampe auf ca. 1% ihrer maximalen Lichtleistung eingestellt wird. Allgemein kann durch Erhöhung der Basisfrequenz, also der im ungedimmten Betrieb vorliegenden Frequenz, um den Faktor 7 bis 12 im wesentlichen der gesamte Dimmbereich für die Niedervolt- Halogenlampe umfaßt werden.
Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, wird die Schaltfrequenz durch das Dimmen nochmals erhöht, so daß sie in einen Frequenzbereich verschoben wird, der weit von der menschlichen Hörgrenze entfernt ist. Da auch schon die im ungedimmten Zustand vorliegenden 35 kHz im Ultraschallbereich liegen und daher in der Regel nicht wahrnehmbar sind, wird auf diese Weise ein einfaches und effektives Dimmen, das zu keiner Geräuschbelastung führt, realisiert. Da jedoch nach wie vor die Totzeit ttot konstant gehalten wird, kann auch im gedimmten Zustand ein Nullpunktschalten für die beiden Halbbrückenschalter erreicht werden, so daß der erfindungsgemäße elektronische Transformator einen außerordentlich hohen Wirkungsgrad aufweist.

Claims (11)

1. Elektronischer Transtormator zum Betreiben mindestens einer Niedervolt- Halogenlampe (L),
mit einem Wechselrichter (3) mit zwei ein- und ausschaltbaren Schaltern (V1, V2) zum Bereitstellen einer Ausgangs-Wechselspannung, und
mit einem Übertrager (4, Tp, Ts1, Ts2), der eingangsseitig mit dem Wechselrichter (3) verbunden ist und an den ausgangsseitig ein die mindestens eine Niedervolt-Halogenlampe (L) aufweisender Lastkreis angeschlossen ist,
wobei der Lastkreis eine Schaltung zum Gleichrichten der auf ihn übertragenen Wechselspannung aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaltung zum Gleichrichten aktive Schaltelemente (S1, S2) aufweist.
2. Elektronischer Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Schaltelemente Feldeffekttransistoren (S1, S2) sind.
3. Elektronischer Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Anschlüsse der beiden Feldeffekttransistoren (S1, S2) mit dem Lastkreis verbunden sind.
4. Elektronischer Transformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zum Gleichrichten ein Zweiweggleichrichter ist.
5. Elektronischer Transformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager zwei Sekundärwicklungen (Ts1, Ts2) aufweist, an deren gemeinsamen Knotenpunkt (M) die mindestens eine Niedervolt-Halogenlampe (L) angeschlossen ist.
6. Elektronischer Transformator nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das dem gemeinsamen Knotenpunkt (M) gegenüberliegende Ende einer Sekundärspule (Ts1) mit dem Gate-Anschluß eines ersten Feldeffekttransistors (S1) sowie mit dem Drain-Anschluß eines zweiten Transistors (S2) verbunden ist
und das dem gemeinsamen Knotenpunkt (M) gegenüberliegende Ende der anderen Sekundärspule (Ts2) mit dem Gate-Anschluß des zweiten Feldeffekttransistors (S2) sowie mit dem Drain-Anschluß des ersten Transistors (S1) verbunden ist.
7. Elektronischer Transformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Schalter (V1, V2) des Wechselrichters (3) derart angesteuert werden,
daß während der Totzeit (ttot) zwischen dem Schließen eines der beiden Schalter (V1) und dem folgenden Öffnen des anderen Schalters (V2) ein Schalten der Schaltelemente (S1, S2) erfolgt.
8. Elektronischer Transformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Dimmen der mindestens einen Niedervolt-Halogenlampe (L) das Tastverhältnis für beide Schalter (V1, V2) des Wechselrichters (3) dadurch verändert wird, daß die Totzeit (ttot) zwischen dem Schließen eines der beiden Schalters (V1) und dem folgenden Öffnen des anderen Schalters (V2) konstant bleibt und die Einschaltzeit (tein) jeweils verkürzt wird.
9. Elektronischer Transformator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltfrequenzen der beiden Schalter (V1, V2) unabhängig von dem Grad des Dimmens oberhalb der menschlichen Hörgrenze liegen.
10. Elektronischer Transformator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltfrequenzen der beiden Schalter (V1, V2) zwischen 35 kHz und 300 kHz liegen.
11. Elektronischer Transformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastverhältnis für beide Schalter (V1, V2) gleich ist.
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