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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Ansteuern eines Hochfrequenztransformators für einen intermittierenden
Betrieb (Burst-Betrieb). Diese Betriebsweise ist ein niederfrequenter
(100–1000 Hz) Ein-Aus-Betrieb mit variablem Tastverhältnis
und wird bei Hochfrequenztransformatoren verwendet um die mittlere Übertragungsleistung
zu verändern.
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Hochfrequenztransformatoren
haben die elektrische Leistungsübertragung revolutioniert,
sowohl hinsichtlich Effizienz als auch hinsichtlich der Baugröße,
und werden in unzähligen technischen Bereichen eingesetzt.
In einigen Anwendungen, beispielsweise bei Hintergrundbeleuchtungen
mit Fluoreszenzröhren, wird die übertragene Leistung
durch einen intermittierenden Betrieb, in der Regel als Burst-Betrieb
bezeichnet, verändert, beispielsweise zum Dimmen der Fluoreszenzröhren.
Im Burst-Betrieb wird der Transformator für einige Millisekunden mit
einer hochfrequenten Wechselspannung, typischerweise zwischen 30
kHz und 65 kHz beispielsweise aus einer Voll- oder Halbbrücken schaltung, versorgt
(Burst-On-Intervall). Im darauf folgenden Burst-Off-Intervall wird
die Brücke abgeschaltet, das heißt keine Leistung übertragen. Üblicherweise
wird die Burst-Periode, das heißt die Summe aus Burst-On-
und Burst-Off-Zeit, konstant gehalten, beispielsweise bei 5 Millisekunden.
Die mittlere Übertragungsleistung wird dabei durch Veränderung
des Verhältnisses von Burst-On- und Burst-Off-Zeit geändert.
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Eine
unerwünschte Begleiterscheinung des Burst-Betriebs ist
ein vom Transformator emittiertes, gut hörbares akustisches
Geräusch, das verschiedene Frequenzanteile enthält.
Dieses Geräusch entsteht hauptsächlich, aber nicht
nur, durch Magnetostriktion des Transformatorkerns. Durch den Magnetfluss
innerhalb des Kerns ändert dieser seine Abmessungen, so
dass durch die periodische Änderung der Spannung bei jedem
Burst Resonanzerscheinungen im Kern auftreten, die das akustische
Geräusch erzeugen. Die dominierenden Frequenzanteile sind
die Burst-Frequenz sowie diverse mechanische Resonanzfrequenzen
des Kernes.
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Eine
gegenwärtig angewandte Methode zur Minimierung der Geräuschemission,
wie sie z. B. in der
DE
102006035071 A1 beschrieben wird, führt bei jedem
Burst einen sogenannten Softstart durch. Dabei wird die von der
Brückenschaltung erzeugte hochfrequente Primärspannung
mit sehr kleiner Pulsbreite gestartet und innerhalb von etwa einer
Millisekunde auf den Nominalwert gesteigert. Dadurch können
Magnetfeldspitzen zu Beginn jedes Burstes vermieden und die Anregung
von Resonanzschwingungen des Transformatorkernes minimiert werden. Ein
Nachteil dieser Methode liegt darin, dass durch den Softstart die
Bursts mit einer Anstiegszeit behaftet sind, die Einschränkungen
hinsichtlich Burstfrequenz und Tastverhältnis mit sich
bringt.
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Obwohl
die oben genannte Methode geräuschmindernd wirkt, verbleibt
ein erhebliches Restgeräusch, in dem die Burstfre quenz
dominiert.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Betreiben eines Hochfrequenztransformators zu schaffen, bei dem die
Geräuschentwicklung noch weiter reduziert oder eliminiert
wird und das außerdem keine Einschränkungen hinsichtlich
Burstfrequenz und Tastverhältnis mit sich bringt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass in dem Burst-Off-Intervall ein magnetisches Feld in dem Transformatorkern
erzeugt oder aufrechterhalten wird.
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Die
vorliegende Erfindung nutzt die Tatsache, dass die durch Magnetostriktion
verursachte mittlere Längenänderung der Trafokernabmessungen über
eine Periode der Betriebsfrequenz nicht Null ist. Das heißt,
dass eine Kern-Verlängerung infolge der positiven Halbwelle
nicht durch eine gleichartige Kernverkürzung während
der negativen Halbwelle ausgeglichen wird. Somit ergibt sich eine
Differenz der mittleren Kernabmessungen zwischen Burst-On- und Burst-Off-Intervall,
die schließlich die Ursache für das Burst-Geräusch
ist.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird die magnetostriktive mittlere Längendifferenz
zwischen der Burst-On- und der Burst-Off-Phase durch Erzeugung eines
Magnetflusses im Kern während des Burst-Off-Intervalls
verringert. Der Magnetfluss ist so beschaffen, dass keine oder eine
im Vergleich zum Burst-On-Intervall nur untergeordnete Leistungsübertragung
auf die Sekundärseite stattfindet.
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Praktisch
bieten sich drei verschiedene Verfahren an, den gewünschten
Magnetfluss im Transformatorkern zu erzeugen. Erstens kann durch
das Anlegen eines konstanten Gleichstromes an eine Transformatorwicklung
der Magnetfluss im Kern aufrechterhalten oder erzeugt werden. Dabei
kann der Konstantstrom so bemessen sein, dass der Magnetfluss dem
zuletzt durch das Wechselfeld erzeugten Magnetfluss entspricht.
Somit findet demgegenüber keine Längenänderung
im Kern statt, so dass keine Geräusche entstehen.
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Zweitens
können statt eines konstanten Gleichstromes unipolare Spannungspulse
an eine Transformatorwicklung geschaltet werden. Durch geschickte
Wahl der Pulsdauer und Frequenz kann der Magnetfluss im Kern nahezu
auf konstantem Niveau gehalten werden, so dass auch hier die Geräuscherzeugung
reduziert wird.
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Drittens
können Spannungspulse mit alternierender Polarität
an eine Wicklung des Transformators gelegt werden. Dabei wird zwar
eine Leistung auf die Sekundärseite des Transformators übertragen, die
jedoch im Vergleich zum Burst-On-Intervall vernachlässigbar
ist. Diese Methode ist besonders sicher gegen Kernsättigung,
die bei den vorangehenden Verfahren als Folge von Anpassungsfehlern
bei den Intervallängen auftreten kann.
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Diese
drei alternativen Ausführungsformen der Erfindung sind
im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Ausführung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit einer Vollbrücke zur Ansteuerung des Hochfrequenztransformators und
Schalter zum Anlegen eines Konstantgleichstromes an die Primärwicklung,
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2 eine
praktische Umsetzung der Schaltung der 1,
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3 eine
alternative Ausführung zur 1 mit einer
zusätzlichen Spannungsquelle,
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4 eine
weitere Ausführung der Erfindung, bei der die Konstantstromquelle
mit einer Hilfswicklung am Transformator verbunden ist,
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5 eine
Variante der 4 mit einer Halbbrücke
zur Ansteuerung des Hochfrequenztransformators,
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6 eine
weitere Ausführung der Erfindung mit einer Vollbrücke
und einer Brückensteuerschaltung zum Anlegen von Unipolarpulsen
an die Primärwicklung des Hochfrequenztransformators,
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7 den
zeitlichen Verlauf der Spannung an der Primärwicklung und
dem magnetischen Fluss im Transformator einer Schaltung gemäß der 6,
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8 eine
Variante der 6 mit einer Halbbrücke
zur Ansteuerung des Hochfrequenztransformators und
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9 den
zeitlichen Verlauf der Spannung an der Primärwicklung und
dem magnetischen Fluss im Transformator beim Anlegen von Pulsen
alternierender Polarität.
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Gemäß einer
ersten Ausführung der Erfindung wird der Gleichstrom nur
während der Burst-Off-Phasen in eine Transformatorwicklung, vorzugsweise
die Primärwicklung 2 eingespeist. Die optimale
magnetische Feldstärke des Gleichfeldes hängt
von der Intensität und Kurvenform des Wechselfeldes während
der Burst-On-Phasen und den magnetischen Besonderheiten des verwendeten Kernmaterials
ab und ist für den speziellen Anwendungsfall experimentell
zu bestimmen. Ein vernünftiger Näherungswert ist
aber der über das Burst-On-Intervall gemittelte Absolutbetrag
des Wechselfeldes. 1 zeigt eine erste Ausführung
der Erfindung anhand einer Vollbrückenschaltung. Ein Transformator T
wird von einer Vollbrückenschaltung mit hochfrequenter
Wechselspannung an seiner Primärwicklung 2 versorgt.
Die Sekundärwicklung 3 ist üblicherweise – aber
nicht notwendigerweise – mit einer Last verbunden. In den
nachfolgenden Schaltungsbeispielen ist der Übersichtlichkeit
halber keine Last eingezeichnet und die Sekundärwicklung 3 erscheint
offen. Die Brückentransistoren A, B, C, D werden von einer
Brückenkontrollerschaltung 1 gesteuert. Erfindungsgemäß gibt
es zusätzlich zur Hauptbrücke einen weiteren Zweig,
mit den Schaltern S1, S2 und der Konstantstromquelle Is, über
den ein Konstantstrom in die Primärwicklung eingespeist
werden kann. Der durch die Konstantstromquelle Is definierte Gleichstrom
wird während der Burst-Off-Intervalle eingeschaltet. Dies
kann beispielsweise durch eine entsprechende Adaption der Brückensteuerschaltung 1 über
Pin E erreicht werden.
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Wie
in 1 leicht erkennbar ist, kann die Funktion des
Schalters S2 auch vom Brückentransistor B übernommen
werden. Dies kann bei der Programmierung bzw. Beschaltung des Brückenkontrollers 1 berücksichtigt
werden. Die Konstantstromquelle Is kann im einfachsten Fall ein
Festwiderstand sein, da die Brückenversorgungsspannung
Vcc konstant ist.
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Eine
konkrete Umsetzung der Erfindung ist in 2 dargestellt.
Der Schalter S1 und die Konstantstromquelle Is sind durch den Transistor
E2 und dessen Emitterwiderstand Re verwirklicht. Der Transistor E1
und die verbleibenden Wider stände stellen ein Interface
für die Brückensteuerschaltung 1 zur
Verfügung. Zur Aktivierung des Gleichstromes während der
Burst-Off-Zeit, wird der Anschluss E mit positivem Potential versorgt
und der Brückentransistor B eingeschaltet.
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Eine
andere Umsetzung der Erfindung zeigt 3. Bei dieser
Schaltungsvariante wird der Konstantstrom nicht von der Brückenversorgungsspannung
Vcc, sondern von einer eigenen Spannungsquelle V bezogen. Dies ist
insbesondere bei hohen Brückenversorgungsspannungen Vcc
von Vorteil, da durch eine kleinere Spannung V auch die durch den Konstantstrom
an Re verursachten Verluste kleiner sind. Die Diode De verhindert
ein Öffnen des pn-Übergangs zwischen Basis und
Kollektor von E2 im Burst-On-Intervall.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist
in 4 gezeigt. Hier wird das magnetische Gleichfeld
nicht durch einen Gleichstrom in der Primärwicklung 2 sondern
durch einen Gleichstrom in einer auf dem Transformatorkern 7 angeordneten
Hilfswicklung 4 erzeugt. Dies ermöglicht durch geeignete
Wahl der Windungszahl der Hilfswicklung 4 eine optimale
Anpassung an die Spannungsquelle, die den Gleichstrom liefert. Der
Transistor E2 in Verbindung mit dem Emitterwiderstand Re bildet
eine spannungsgeführte Stromquelle. Der Stromsollwert wird
durch den Spannungsteiler R1, R2 und durch das Potenzial am Anschluss
E festgelegt. Durch die Anwendung einer Hilfswicklung 4 kann
auch der Massebezug für die Gleichfeldelektronik frei gewählt werden,
was für manche Anwendungsfälle zusätzlich vorteilhaft
ist.
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Durch
die Einführung der Hilfswicklung 4 am Transformator
T für die Erzeugung des Gleichfeldes im Kern, kann die
Erfindung auch auf eine Halbbrückenschaltung angewendet
werden, wie in 5 dargestellt, bei der die beiden
Schalter C und D durch die Kondensatoren C1 und C2 ersetzt sind.
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Eine
weitere Ausführung der Erfindung sieht ein Unipolarpulsverfahren
vor, bei dem während des Burst-Off-Intervalles kurze Pulse 5 gleich
bleibender Polarität an eine Transformatorwicklung angelegt werden.
In der Zeit zwischen den Pulsen wird das Magnetfeld im Kern aufrechterhalten,
indem eine Transformatorwicklung, vorzugsweise die Primärwicklung 2,
kurzgeschlossen wird. 6 zeigt diese Ausführung
anhand einer Vollbrückenschaltung bestehend aus vier MosFet-Transistoren
A, B, C, D die von einer Brückensteuerschaltung 1 angesteuert werden. 7 zeigt
ein typisches Muster der erforderlichen Primärspannung
U am Transformator T und den damit verbundenen magnetischen Fluss
F im Transformator T. Während der Burst-Off-Zeit Tf werden
kurze unipolare Pulse 5 ausgegeben. In der Zeit zwischen
den Pulsen 5 schließt die Hauptbrücke die
Primärwicklung 2 kurz. Dies kann im Falle einer Vollbrückenschaltung
beispielsweise durch gleichzeitiges Einschalten der Transistoren
B und D erzielt werden. Dadurch bleibt der magnetische Fluss F im Transformatorkern
während der Burst-Off-Zeit Tf weitgehend erhalten und mit
ihm auch die mechanische Spannung im Kernmaterial.
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Ein
besonderer Vorzug des Unipolarpulsverfahrens besteht darin, dass
die Vollbrücke alleine – ohne weitere Zusatzbeschaltung – alle
notwendigen Aktionen ausführen kann und daher keine zusätzlichen
Bauteile benötigt werden. Im Falle einer Vollbrückenschaltung
muss lediglich der Brückenkontroller 1 das gemäß 7 modifizierte
Pulsmuster zur Verfügung stellen.
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Wie
in 8 gezeigt, kann das Unipolarpulsverfahren auch
auf Halbbrückenschaltungen angewendet werden, bei der die
beiden Brückenschalter C und D durch zwei Kondensatoren
C1 und C2 ersetzt sind. Am Transformator T wird dann eine auf dem Transformatorkern 7 angeordnete
Hilfswicklung 4 benötigt, die von einem weiteren
Schalter S in der Zeit zwischen zwei unipolaren Pulsen 5 kurzgeschlossen werden
kann. Der Schalter S wird üblicherweise durch eine Halbleiterschaltung
realisiert.
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In
weiteren vorteilhaften Ausführungsformen, insbesondere
im Falle einer gleich bleibenden niederohmigen sekundärseitigen
Last, kann auf den Kurzschluss der Primärwicklung 2 durch
die Transistoren B, D oder durch den Schalter S auch verzichtet werden.
Allerdings verringert sich dadurch das Zeitintervall zwischen den
Pulsen und die im Burst-Off-Intervall an die Sekundärseite übertragene
Leistung steigt an.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden während
des Burst-Off-Intervalls abwechselnd positive und negative Pulse
eingesetzt. Diese Variante hat den Vorteil, dass die Gefahr einer Kernsättigung
bei schlecht dimensioniertem Verhältnis zwischen Pulsbreite
und Pulsabstand nicht besteht. Allerdings ist auch die während
der Burst-Off-Zeit übertragene Leistung etwas größer
als bei unipolaren Pulsen. 9 zeigt
ein typisches Muster der erforderlichen Primärspannung
U am Transformator T und den damit verbundenen magnetischen Fluss
F im Transformator T. Während der Burst-Off-Zeit Tf werden
abwechselnd kurze positive 5 und negative 6 Pulse ausgegeben. In
der Zeit zwischen den Pulsen 5, 6 schließt
die Hauptbrücke die Primärwicklung 2 kurz.
Eine Vorrichtung zum Ansteuern des Hochfrequenztransformators T
mit solchen Pulsen kann beispielsweise gemäß 6 aufgebaut sein.
Lediglich die Steuerung des Brückencontrollers 1 muss
entsprechend angepasst werden, so dass ein Pulsmuster gemäß 9 ausgegeben
werden kann.
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Auch
diese Variante kann auf Halbbrückenschaltungen angewen det
werden, sofern eine kurzschließbare, auf dem Transformatorkern 7 angeordnete
Hilfswicklung 4 am Transformator T wie in 8 verwendet
wird.
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In
weiteren vorteilhaften Ausführungsformen insbesondere im
Falle einer gleich bleibenden niederohmigen sekundärseitigen
Last kann auf den Kurzschluss der Primärwicklung 2 durch
die Transistoren B, D oder den Schalter S auch verzichtet werden.
Allerdings verringert sich dadurch das Zeitintervall zwischen den
Pulsen und die im Burst-Off-Intervall Tf an die Sekundärseite übertragene
Leistung steigt an.
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Alle
gezeigten Beispiele verwenden eine Brückenschaltung zum
erzeugen der hochfrequenten Wechselspannung. Die Art und Weise,
wie die Wechselspannung erzeugt wird spielt für die Erfindung
jedoch keine Rolle. Das erfindungsgemäße Verfahren kann
unabhängig davon auch in Schaltungen eingesetzt werden,
die auf andere Weise mit einer hochfrequenten Wechselspannung versorgt
werden.
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- 1
- Brückensteuerschaltung
- 2
- Primärwicklung
- 3
- Sekundärwicklung
- 4
- Hilfswicklung
- 5
- Kurzer
positiver Puls
- 6
- Kurzer
negativer Puls
- A,
B, C, D
- Brückentransistor
- C1,
C2
- Kondensator
- Dc,
De
- Diode
- E1,
E2
- Transistor
- Is
- Konstantgleichstromquelle
- R1,
R2
- Spannungsteiler
- Rc
- Collectorwiderstand
- Re
- Emitterwiderstand
- S,
S1, S2
- Schalter
- T
- Hochfrequenztransformator
- Tn
- Burst-on
Intervall
- Tf
- Burst-off
Intervall
- V
- externe
Spannungsquelle
- Vcc
- Brückenspannungsversorgung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006035071
A1 [0004]