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Die Erfindung bezieht sich auf einen Dimmer, insbesondere zur Steuerung der Helligkeit von Beleuchtungseinrichtungen.
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Aus der
DE 692 01 882 T2 ist ein Dimmer zur Steuerung der Helligkeit von Beleuchtungsanlagen mit minimalen Filterungsverlusten bekannt, bei welchem zwischen Eingangklemme und Ausgangsklemme die Reihenschaltung einer Hilfsinduktivität, einer Filterinduktivität und eines ersten Triacs vorgesehen ist. Ein zweiter Triac ist zwischen dem Verbindungspunkt beider Induktivitäten und der Ausgangsklemme angeordnet. Eine Filterkapazität ist zwischen Eingangklemme und Ausgangsklemme geschaltet. Ein Widerstands-Kapazitäts-Serienglied ist parallel zur Filterkapazität angeordnet. Eine ähnliche Schaltung ist nachfolgend unter
4 näher beschrieben.
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Ein Dimmer ist ein an einem Wechselspannungsnetz betreibbarer elektronischer Schalter, der periodisch und mit einstellbarer Verzögerung – bezogen auf den Netzstrom- oder Netzspannungs-Nulldurchgang – einen Stromfluss durch eine Last ermöglicht oder unterdrückt.
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Dazu sind im Dimmer prinzipiell zwei Schaltungsteile erforderlich, nämlich Schaltelemente zur Steuerung des Laststromes, wofür Triacs oder MOSFETs am weitesten verbreitet sind, und eine Steuerschaltung, die den Schaltzeitpunkt bezogen auf den Netzstrom- und/oder Netzspannungs-Nulldurchgang ermittelt und einen Schaltimpuls erzeugt.
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Weitverbreitet und kostengünstig sind insbesondere Triacs als Schaltelement. Triacs sind Halbleiterschaltglieder, die mittels eines Zündimpulses leitend gemacht werden können, und bei Unterschreitung eines durch das Bauteil bestimmten Haltestromes wieder gelöscht werden, d. h. in den sperrenden Zustand zurückfallen, und erst durch einen erneuten Zündimpuls wieder leitend gemacht werden können. Bei Wechselspannungsbetrieb bedeutet dies, dass im Stromnulldurchgang der Triac automatisch sperrend wird. Bei ohmschen Lasten, die keine Phasenverschiebung erzeugen, sind Stromnulldurchgang und Spannungsnulldurchgang identisch. Der Zündimpuls wird vorzugsweise über ein RC-Glied erzeugt, dessen Zeitkonstante mittels eines Potentiometers verändert und somit der Zündzeitpunkt des Triacs variiert werden kann. Bedingt durch das Ein- und Ausschaltverhalten lässt sich mit Triacs nur ein Phasenanschnittbetrieb, also kein Phasenabschnittbetrieb realisieren.
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Nachteilig wirkt sich bei Verwendung eines Triacs die damit verbundene steile Einschaltflanke des Stromes aus, die einen erheblichen Oberwellenanteil verursacht und damit ein Störspektrum erzeugt; denn anders als bei Transistoren lässt sich diese Einschaltflanke nicht durch eine geeignete Ansteuerung kontrollieren. Bezüglich des Störspektrums sind in europäischen Normen Grenzwerte festgelegt, die nicht überschritten werden dürfen. Die Einhaltung der Funkstörspannungsgrenzen erfordert einen Filteraufwand im Dimmer, z. B. in Form eines Tiefpasses, der üblicherweise mit einer Drosselspule in Reihe zum Triac, sowie eines Kondensators parallel zu dieser Reihenschaltung aus Drosselspule und Triac, realisiert wird.
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Eine entsprechende typische Schaltung zeigt 2, wobei eine Last R aus einem Wechselspannungsnetz L, N unter Zwischenschaltung eines Dimmers, der einen Ausgang L' aufweist, gespeist wird. Der Dimmer enthält eine Reihenschaltung eines ersten Triacs Tr1 und einer ersten Drosselspule L1, wobei der Triac Tr1 mittels einer Steuerung angesteuert wird, und der Reihenschaltung ein Kondensator C2 parallel geschaltet ist.
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Der Laststrom fließt bei einer solchen Schaltung sowohl durch das Schaltelement, also den Triac, als auch durch die Drosselspule. Es wird dabei eine Verlustleistung erzeugt, die proportional zum Laststrom ist und die zu einer Erwärmung des Dimmers führt. Dies stellt insbesondere bei Unterputzgeräten ein erhebliches. Problem dar, da die Verlustwärme aufgrund der Einbausituation nur schlecht nach außen abgeführt werden kann. Da die Verlustleistung außerdem proportional der angeschlossenen Leistung ist, ist die maximale Anschlussleistung von herkömmlichen Unterputzdimmern wegen der begrenzten Wärmeabfuhrmöglichkeit auf etwa 600 W begrenzt.
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Eine Erhöhung der Anschlussleistung ist deshalb nur mittels einer verbesserten Wärmeabgabe oder einer verringerten Verlustleistung erreichbar. Eine bessere Wärmeabgabe ließe sich mittels entsprechender Kühlkörper realisieren, was sich aber bei einem Dimmer für den Einbau in eine Standard-Unterputzdose praktisch verbietet. Ebenso ist zu beachten, dass sich im Fall einer höheren Anschlussleistung auch die mechanischen Abmessungen der erforderlichen Drosselspule vergrößern, da diese für einen höheren Nennstrom ausgelegt werden muss.
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Aus
DE-A-21 31 750 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, mit der angestrebt wird, die Verlustleistung in der Drosselspule zu reduzieren, indem die Drosselspule nach dem Einschaltvorgang überbrückt wird. Dabei liegt die Überlegung zugrunde, daß die Drosselspule lediglich im Einschaltmoment zur Tiefpassfilterung erforderlich ist.
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Eine Schaltungsanordnung gemäß diesem Prinzip zeigt 3. Die Schaltung enthält in Ergänzung zur bereits beschriebenen Schaltung gemäß 2 einen zweiten Triac Tr2, der parallel zur Reihenschaltung von erstem Triac Tr1 und Drosselspule L1 geschaltet ist, und durch die Steuerung angesteuert wird. Der zweite Triac Tr2 wird mit einer festen Verzögerungszeit nach dem ersten Triac Tr1 gezündet und übernimmt den Laststrom. Die Verzögerungszeit ist so gewählt, daß zum Zeitpunkt des Zündens des zweiten Triacs Tr2 die Einschwingvorgänge des ersten Triacs Tr1 bereits abgeklungen sind. Das Zünden des 2. Triacs erzeugt zwar ebenfalls Störspannungen, doch sind diese deutlich geringer, da lediglich der Spannungsabfall über der Drosselspule L1 und dem ersten Triac Tr1 geschaltet wird.
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Eine mögliche Abwandlung der Schaltung ist in 4 angegeben. Die Änderung gegenüber der in 3 dargestellten Schaltung besteht darin, daß eine zweite Drosselspule L2 so angeordnet ist, daß sie zusammen mit dem Kondensator C2 einen Tiefpaß zur Reduzierung der vom zweiten Triac Tr2 erzeugten Funkstörspannung bildet. Die zweite Drosselspule L2 kann für eine vergleichsweise kleine Induktivität ausgelegt werden, gerade ausreichend, um die vom zweiten Triac Tr2 erzeugte Funkstörspannung unterhalb der geforderten Grenzwerte zu halten. Die erste Drosselspule L1 hat eine große Induktivität.
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Im Einschaltzeitpunkt des Dimmers, also bei Zündung des ersten Triacs Tr1 wirkt die Reihenschaltung der Drosselspulen L1 und L2 als Gesamtinduktivität Lges = L1 + L2 in dem zusammen mit dem Kondensator C2 gebildeten LC-Tiefpaß. Die Gesamtinduktivität Lges muß bei der Schaltung gemäß 4 gleich groß sein, wie die Induktivität der einzelnen Drosselspule L1 der Schaltung gemäß 3 und 2, wenn man gleiche Kapazität des Kondensators C2 und gleiche Funkentstörwirkung zugrundelegt. Eine Verkleinerung der Abmessungen der Drosselspulen im Hinblick auf eine angestrebte höhere Dimmerleistung bei Unterputzeinsatz läßt sich somit nicht erreichen.
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Untersuchungen haben außerdem gezeigt, daß die Wirksamkeit beider Schaltungen 3 und 4) bezüglich einer erhofften Verlustleistungsreduzierung sehr gering ist, somit auch aus diesem Grund mit den bekannten Maßnahmen keine nennenswerte Leistungserhöhung bei Unterputz-Dimmern erzielbar ist. Insbesondere wenn man berücksichtigt, daß bei angestrebten höheren Lastströmen auch erhöhte Störspannungen erzeugt werden, die wiederum verbesserte Filtereigenschaften erfordern.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Dimmer für Unterputzeinsatz anzugeben, der für eine – im Vergleich zum Stand der Technik – deutlich höhere Anschlußleistung ausführbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Dimmer gelöst, der die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
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Mit der Erfindung wird im wesentlichen vorgeschlagen, bei einer Schaltung mit zwei Triacs und zwei Drosselspulen durch Anordnung eines zweiten Kondensators zwei LC-Kreise eines Filters vierter Ordnung zu bilden. Außerdem wird vorgeschlagen, anstelle einer festen Verzögerung zur Ansteuerung des zweiten Triacs eine variable, vom Ansteuerwinkel abhängige Verzögerung vorzunehmen. Die Kombination dieser Maßnahmen ermöglicht – unter Einhaltung der zulässigen Grenzwerte der Funkstörspannungen – eine Erhöhung der Dimmer-Anschlußleistung auf etwa 1000 W.
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Eine weitere Beschreibung der Erfindung erfolgt nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren.
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Es zeigt:
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1 die Schaltung eines erfindungsgemäßen Dimmers,
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2 die Schaltung eines handelsüblichen Dimmers
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3 die Schaltung eines bekannten Dimmers mit zwei Triacs,
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4 eine Abwandlung der Schaltung gemäß 3,
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5 ein Ersatzschaltbild zur Schaltung gemäß 3 bzw. 4,
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6 in bekannten Dimmern benutztes Filter zweiter Ordnung, und
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7 im erfindungsgemäßen Dimmer benutztes Filter vierter Ordnung.
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Die Erfindung geht von einer Analyse der Eigenschaften eines Dimmers gemäß der in 3 angegeben Schaltung aus. Die gefundenen Ergebnisse gelten in gleicher weise für die Schaltung gemäß 4.
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Es hat sich gezeigt, daß die Hauptursache für die unbefriedigenden Eigenschaften der Schaltung gemäß 3 oder 4 in einer langsamen Stromübernahme vom Zweig mit dem ersten Triac Tr1 und Drosselspule L1 auf den dazu parallelen Zweig mit dem zweiten Triac Tr2 zu sehen ist.
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Dieser Effekt läßt sich anhand des in 5 gezeigten Ersatzschaltbildes verdeutlichen.
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Die Triacs in 4 sind symbolisch als Schalter S1 bzw. S2 dargestellt, die mittels einer nicht dargestellten Steuereinheit zu Zeitpunkten t1 bzw. t2 geschlossen werden können. Der Schalter S1 liegt in Reihe zu einer Wechselspannungsquelle mit der Spannung U0, zur Drosselspule L1 mit der Induktivität L1 und dem ohmschen Widerstand RL, sowie der angeschlossenen Last mit dem Widerstand RLast. Der Schalter S1 wird zum Zeitpunkt t1 geschlossen. An der Induktivität L1 liegt zum Zeitpunkt t1 die Spannung UL(t1) = U0(t1) an, da unmittelbar im Einschaltmoment noch kein Strom fließt. Die Spannung UL(t1) ist gleich der Momentanspannung der Wechselspannungsquelle, z. B. der Netzspannung.
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Gemäß der Gleichung UL = L·diL/dt (1) steigt der Strom mit der Steilheit diL/dt = UL(t1)/L1 an.
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Nachdem die Einschwingvorgänge abgeklungen sind, d. h. der Strom den Wert iL(t) = U0(t)/RLast erreicht hat (wobei RL << RLAST), fällt an RL die Spannung URL(t) = iL(t)·RL ab.
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Wird zum Zeitpunkt t2 > t1 der Schalter S2 geschlossen, so muss gelten: UL1 + URL = 0, d. h. über der Induktivität L1 liegt die Restspannung -URL an. Nach Gleichung (1) bedeutet dies eine Stromänderung diL/dt = UL1(t2)/L1. Da die Induktivität L1 unverändert bleibt und UL1(t1) >> UL1(t2) ist, bedeutet das, dass der Strom durch die Drosselspule deutlich langsamer abfällt als er angestiegen ist. Dieser – hier langsame – Übergang (Kommutierung) auf den Parallelzweig sollte aber im Sinne einer geringen Verlustleistung so schnell wie möglich erfolgen. Dazu besteht die Möglichkeit, die Restspannung durch Erhöhung des ohmschen Drosselwiderstandes RL anzuheben, was aber der ursprünglichen Absicht die Verluste zu reduzieren entgegen wirken würde. Es bleibt somit der Weg, die Induktivität L1 – unter Beibehaltung der geforderten Filtereigenschaften – deutlich zu verkleinern.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß anstelle eines LC-Tiefpasses zweiter Ordnung ein Filter vierter Ordnung verwendet wird, das deutlich bessere Selektionseigenschaften aufweist, die zudem besser auf die geforderte Grenzkurve angepasst werden können. Das Filter vierter Ordnung wird auf sehr einfache Weise, nämlich durch einfügen eines weiteren Kondensators, nämlich des in 1 dargestellten Kondensators C1 geschaffen. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung mit einem Filter vierter Ordnung. Die Induktivität der Drosselspule L1 kann in einer solchen Anordnung erheblich kleiner gewählt werden als in einer Anordnung gemäß 3 oder 4, während die Induktivität L2 den auch für eine Anordnung gemäß 4 gültigen Wert beibehält. Das Verhältnis von L1/L2 reduziert sich dadurch von ca. 15 auf ca. 5. Die Stromkommutierung wird deutlich beschleunigt und die Verlustleistung reduziert. Zusätzlich werden die geometrischen Abmessungen deutlich reduziert.
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Die erwähnten unterschiedlichen Filter sind in den Zeichnungsfiguren 6 und 7 dargestellt. 6 zeigt das in den Schaltungen gemäß 3 bzw. 4 enthaltene Filter zweiter Ordnung. 7 das in der erfindungsgemäßen Schaltung gemäß 1 enthaltene Filter vierter Ordnung.
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Die Dimensionierung des Filters orientiert sich an der in den Normen vorgeschriebenen Grenzwertkurve. Die Grenzwerte sind festgelegt für den Bereich 9 kHz bis 30 MHz und die Kurve verläuft nicht linear, sondern enthält einige Sprungstellen an denen sich der Grenzwert sprungartig ändert. Dies sind in der Regel die kritischen, nur mit erheblichem Aufwand einzuhaltenden Punkte. Mit dem verwendeten Filter vierter Ordnung kann man die Dämpfungsfunktion über die Frequenz besser diesen Erfordernissen anpassen, als mit einem Filter zweiter Ordnung. Die Filterelemente können daher hinsichtlich der o. g. Erfordernisse optimiert werden.
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Eine weitere Verlustleistungsreduzierung wird erfindungsgemäß durch eine dynamische Ansteuerung der Triacs erreicht. Damit ist eine variable Steuerung der Verzögerungszeit zwischen dem Zünden des ersten und des zweiten Triacs gemeint. Es versteht sich, dass die Verzögerungszeit möglichst klein sein muss, um die Strombelastung in der Drosselspule gering zu halten. Ein zu frühes Zünden des zweiten Triacs würde jedoch dazu führen, dass die Spannung über den Anoden des zweiten Triacs noch nicht abgebaut ist und deshalb eine zu hohe Spannung geschaltet wird, was zu einer Erhöhung der Funkstörspannung des zweiten Triacs führen würde, die zu der Funkstörspannung des ersten Triacs quasi hinzuaddiert werden muss.
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Diese Störspannungen des ersten Triacs sind abhängig vom Steuerwinkel. Unter Steuerwinkel versteht man die Verschiebung des Einschaltzeitpunktes t1 gegenüber dem Spannungsnulldurchgang der Wechselspannung. Bei kleinen Steuerwinkeln bzw. dadurch gegeben großen Stromflusszeiten ist das Störspektrum gering. Eine Erhöhung der Funkstörspannung kann bei kleinen Steuerwinkeln – bei gleichzeitiger Einhaltung der Grenzkurve – in Kauf genommen werden. Die Verzögerungszeit kann also bei kleinen Steuerwinkeln zugunsten einer geringen Strombelastung der Drosselspule – im Vergleich zur bekannten Anordnung und Betriebsweise – verringert werden.
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Bei kleineren Stromflusszeiten sind die Verhältnisse jedoch genau umgekehrt. Wegen des dabei entstehenden hohen Störspektrums darf auf keinen Fall zu früh gezündet werden. Die Verzögerungszeit wird deshalb – gegenüber dem standardmäßigen Betrieb mit fester Verzögerungszeit – vergrößert. Die dadurch erhöhte Strombelastung bzw. Verlustleistung der im verwendeten Filter relativ kleinen Drosselspule kann hingenommen werden. Bei einer bevorzugten Ausführung des Dimmers wird die Verzögerungszeit abhängig vom Anschnittwinkel, also dem Steuerwinkel mittels eines Mikrocontrollers gebildet. Es läßt sich auf diese Weise ein optimaler Kompromiss zwischen sowohl kleiner Funkstörspannung als auch geringer Verlustwärme erzielen.
