DE102008039246A1

DE102008039246A1 - PWM - Leistungsdimmer

Info

Publication number: DE102008039246A1
Application number: DE102008039246A
Authority: DE
Inventors: Hans Effertz; Wilfried Wilhelm Brings
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-07-16
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2010-01-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zur störungsfreien Schaltung und Regelung der Leistung von Verbrauchern innerhalb von Spannungs- bzw. Stromversorgungen, wobei die Spannung bzw. Stromversorgung mittels der Schaltvorrichtung segmentiert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1.
Im Gegensatz zum bestehenden Systemen wird mit dieser Schaltung bzw. Elektronik die Reduzierung der Leistung innerhalb von Spannungsversorgungen nicht durch eine netzsynchrone Phasenanschnitt- oder Phasenabschnittsteuerung geregelt, sondern durch Aufteilung des vorhandenen Wechselstroms bzw. Gleichstroms in sehr viele, wesentlich kleinere Stromabschnitte, die in Ihrer Länge einstellbar sind. Das Verhältnis zwischen den Strompulsen zu den Strompausen bestimmen die resultierende Stromabgabe bzw. die Höhe der Sparstromversorgungsspannung.
Das Prinzip der gewöhnlichen Bindung bzw. Regelung von netzstromversorgten Geräten ist aus dem Stand der Technik bekannt. Sollen ohmsche oder induktive Lasten geregelt werden, wird die Phaseneinschnittdämmung eingesetzt. Dabei wird die Spannung (1) erst nach einem bestimmten Zeitraum nach Nulldurchgang pro Netzperiode auf den Verbraucher geschaltet (1a). Die umgesetzte Leistung, hier 75% der Volllast, wird von der Länge der Zeitspanne bestimmt. Durch den Anschnitt der Netzspannung werden jedoch steile Spannungsflanken erzeugt, der Verbraucherstrom weicht also stark von der Sinusform ab. Es entstehen Störspannungen, welche bis in den Rundfunkbereich strahlen. Durch geeignete Kapazitäten und Induktivitäten werden diese gedämpft.
Durch diese Störungsmaßnahmen können jedoch keine Transformatoren geregelt werden, da sich hierbei Schwingkreise unterschiedlicher Resonanzfrequenzen bilden, die zu Funktionsstörungen und Beschädigungen der Schaltung führen können. Thyristor- oder triacgesteuerte Dimmer können zur Regelung von Transformatoren nur bedingt eingesetzt werden, da es aufgrund der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung zu Fehlsteuerungen kommen kann. Diese Fehlsteuerungen bewirken wiederum ein Halbwellenbetrieb des Transformators, führen diesen schnell in die Sättigung und der Trafo wird in der Regel zerstört. Elektronische Trafos oder kapazitive Lasten werden durch Phasenabschnittdimmer geregelt (1b). Im Gegensatz zu einem Phasenanschnittdimmer schaltet ein Phasenabschnittdimmer die Netzspannung direkt im Nulldurchgang ein und nach Ablauf einer einstellbaren Zeit wieder ab. Dadurch ergeben sich keine steilen Spannungsflanken beim Einschalten. Die steilen Flanken beim Abschalten werden durch eine Schaltung abgeflacht. Die Phaseabschnittsteuerung ist zwar aufwändiger und teurer als eine Phasenanschnittsteuerung, produziert aber weniger Störspannungen. Wie auch die Phasenanschnittsteuerung bringt sie durch die starke Abweichung von der Sinusform Blindströme in die Zuleitung der Stromversorgung mit sich.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Dimmer zur Verfügung zu stellen.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine elektronische Schaltung zur störungsfreien Steuerung und Regelung der Leistung von Verbrauchern innerhalb einer Spannungsversorgung, wobei die Schaltung eine elektronische Schaltvorrichtung umfasst und die Spannungsversorgung mittels der Schaltvorrichtung segmentiert wird.
Durch die segmentierte Spannungsversorgung kann vorteilhafter Weise die Leistung reguliert werden. Segmentierung umfasst wenigstens einen An- und einen Abschaltvorgang.
Weiterhin kann insbesondere eine sinusförmige Spannungsversorgung so segmentiert werden, dass der Ausgangsstrom aus der Schaltung in allen Regelbereichen nahezu sinusförmig – bei entsprechender Zeitauflösung – erscheint.
Weiterhin können Störspannungen minimiert werden.
Weiterhin können störende Blindströme verringert bzw. vermindert werden. Zudem können als Spannungsversorgung sowohl Wechselspannungs- als auch Gleichspannungsversorgungen als auch Kombinationen beider Spannungsversorgungen verwendet werden.
In einer besonders bevorzugten Ausprägung der Erfindung kann die elektronische Schaltungsvorrichtung eine Brückenschaltung und ein elektronisches Schaltelement aufweisen, wobei das Schaltelement die Brückenschaltung so beschaltet, dass eine Segmentierung erfolgt. Dadurch kann vorteilhafter Weise die Zeitdauer der Strompakete eingeteilt werden bzw. der resultierende Ausgangsstrom in allen Regelbereichen nahezu sinusförmig ausgeprägt sein. Dabei kann die Zeitdauer der Strompakete unterschiedlich ausgeprägt sein.
In einer äußerst bevorzugten Ausprägungsform der Erfindung kann das elektronische Schaltelement Transistoren oder Röhren umfassen. Dabei sind insbesondere alle modernen Formen von Transistoren, insbesondere IGBT's, MOSFETs, stromgesteuerte Transistoren, Triacs, Thyristoren und GTO's umfasst. Dadurch kann die Brückenschaltung vorteilhafter Weise sehr schnell geschaltet werden, wodurch ein Sinusverlauf der Spannungsversorgung im Wesentlichen beibehalten werden kann, sich jedoch aber die Leistung aufgrund der Segmentierung reduziert.
In einer äußerst bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die elektronische Schaltung ein Schaltungsverlaufaufprägeelement, insbesondere Mikrokontroller und/oder FPGA's, aufweisen. Weiterhin sind sämtliche elektronische Aufprägeelemente mit umfasst, das heißt, dass aktive und passive Aufprägeelemente, welche einen bestimmten Verlauf dem Schalter aufprägen, einsetzbar sind. Aktiv soll im Gegensatz zu passiv hier als im Betrieb regelbar verstanden werden. Dadurch kann vorteilhafter Weise ein vorgegebener Regel- bzw. Spannungsverlauf vorgegeben werden. Weiterhin kann ein zeitlich veränderbarer Schaltungsverlauf einstellbar sein.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist das Segment Muster auf, welche mittels Schaltungsverlaufaufprägeelement der Spannung aufprägbar ist.
In einer äußerst bevorzugten Ausprägungsform der Erfindung wird die erfindungsgemäße elektronische Schaltung bei der Netzstromversorgung von Verbrauchern eingesetzt. Dadurch können vorteilhafter Weise elektrische Schaltungen betrieben werden. Elektrische Schaltungen umfassen die gängigen Spannungsversorgungen wie in Amerika oder Europa üblich (110 V und 230 V Wechselspannung), auch weitere Netzstromversorgungen sind realisierbar. Dadurch können vorteilhafter Weise Verbraucher wie ohmsche und induktive Lasten, insbesondere Transformatoren oder Dimmer betrieben werden.
In einer äußerst bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Verbraucher Beleuchtungsanlagen, dabei sind insbesondere Leuchtstoffröhren bzw. Leuchtstofflampen umfasst. Somit kann idealer Weise die Leistungsaufnahme von Beleuchtungsanlagen reduziert werden. Dies ist insbesondere dadurch möglich, dass das Auge ab bestimmten Frequenzen kein Flackern mehr wahrnehmen bzw. Prozesse in den Beleuchtungsanlagen durch verringerte Leistungsaufnahme weiterhin bestehen können.
Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zum Betreiben von Leuchtstoffröhren, welche die erfindungsgemäße Schaltung umfasst, gelöst. Bei diesem Verfahren kann insbesondere während des Startvorgangs eine höhere Spannungsversorgung zur Verfügung gestellt werden, wobei in Dauerbetrieb die Leistung reduziert wird. Dadurch kann idealer Weise ein Starten von Leuchtstofflampen gewährleistet werden und im Dauerbetrieb die Leistung bzw. der Verbrauch reduziert werden. Dies kann die Leistungsaufnahme im Dauerbetrieb verringern und die Lebensdauer der Leuchtstoffröhren verlängern.
Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch einen Nachrüstsatz insbesondere für Leuchtstofflampen bzw. Leuchtstoffröhren, wobei dieser Nachrüstsatz den Starter bzw. elektronische Vorschaltgeräte für die Leuchtstoffröhren bzw. Halogenlampen und die erfindungsgemäße elektronische Schaltung aufweist. Dadurch kann bei bestehendem Beleuchtungssystem insbesondere für Leuchtstoffröhren durch Ausstauchen des Starters bzw. EVGs eine Reduzierung des Verbrauches erreichbar sein.
Zudem wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch Leuchtstofflampen, welche die erfindungsgemäße elektronische Schaltung umfassen. Dabei kann insbesondere bei der Neuinstallation von Leuchtstofflampen ein Verbrauch minderndes Beleuchtungssystem installiert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Dazu stellt
1 eine sinusförmige Netzspannung mit Phasenanschnitt- und Phasenabschnittsteuerung,
2 die erfindungsgemäße Segmentierung und
3 die elektronische Schaltung dar.
Durch die Schaltung aus 3 wird die sinusförmige Stromversorgung (1) in sehr viele einzelne (2), in der Zeitdauer einstellbare Strompakete geteilt (2a) (Segmentierung). Durch die hohe Frequenz der einzelnen Strompakete ist der resultierende Ausgangsstrom in allen Regelbereichen nahezu sinusförmig (2b). Die Störspannungen und die störenden Blindströme werden durch diese Schaltung minimiert. Die Spannungsversorgung kann alle möglichen Spannungsverläufe wie Sinus und/oder Gleichspannung und/oder Kombinationen und/oder Rechteck- und Dreieckspannungen umfassen. Zu Beschreibungszwecken wird im Weiteren von der Sinusform der Netzspannung ausgegangen.
Damit die Sinusform der Ausgangsspannung im Wesentlichen nicht verändert wird, erfolgt das Schalten der Spannung innerhalb eines Brückengleichrichters, der in Reihe zum Verbraucher geschaltet wird (3). Wird der Schalter, welcher in 3 als IGBT dargestellt ist, nicht betätigt, fließt kein Strom. Wird der Schalter geschlossen, fließt unabhängig von der aktuellen Stromrichtung Strom (3a, 3b), die Segmentierung erfolgt.
Die Ansteuerung des Schalters kann vorzugsweise durch einen Mikrocontroller (YP) realisiert werden. Die Beschaltung des Mikrocontrollers (YP) kann durch den Regler, welcher unter anderem manuell betätigbar oder elektronisch angesteuert ist, beschaltet werden.
Im vorzugsweisen Einsatz dieser elektrischen Schaltung kann der Stromverbrauch von Beleuchtungsanlagen reduziert werden. Da die Stromregelung unabhängig vom Verbraucher eingesetzt werden kann, ist eine einfache Einbindung in eine bestehende Beleuchtungstopologie möglich. Einfache Glühlampen, Hochvolt-Halogenlampen, transformatorgespeiste Niedervolt-Halogenlampen, die per elektronisch gesteuerten Trafos betrieben werden, lassen sich von 0 bis 100% Leistung regeln.
Leuchtstofflampen sind aufgrund derer physikalischen Eigenschaften nur um bis zu 30% ihrer Leistung reduzierbar. Eine Reduzierung der Leistungsaufnahme der Leuchtstofflampen um zum Beispiel 10%, ist für den Anwender nicht sichtbar, führt jedoch zu einer 10%-igen Stromersparnis, reduziert die Hitzeabgabe und erhöht die Lebenserwartung der Lampe drastisch. Eingesetzt in Gewerbebetrieben oder industriellen Produktionshallen, unabhängig von Neuinstallationen oder Nachrüstung, wird die Effizienz der Beleuchtung erheblich gesteigert. Aufgrund der Mikrokontrollersteuerung ist eine automatische Anpassung des Regelverhaltnes an die Umgebungs- oder Anwendungsbedingungen realisierbar.
Bezogen auf die vorgenannte Hallenbeleuchtung mittels Leuchtstofflampen könnte im Einschaltvorgang zum Beispiel für einige Minuten die volle Leistung an die Leuchten abgegeben werden, um den optimalen Arbeitspunkt des Leuchtmittels zu erreichen, um anschließend eine Redu zierung der Lichtleistung in Abhängigkeit des Umfeldlichtes durchzuführen.
Ein mögliches Programm, das einer Leuchtstofflampe aufgeprägt werden kann, ist in 3 mit der Unterschrift Programm gekennzeichnet. Dabei ist ein Zeitverlauf einer segmentierten Leistung, welche mit der elektronischen Schaltung realisiert wurde, dargestellt.
Da die Technologie der IGBT's sehr kleine Bauausführungen erlaubt, würde eine Ausführung zur Hutschienenmontage in den gängigen Größenverhältnissen der Sicherungsautomaten oder in Kombination mit Sicherungsautomaten eine leichte Installation oder Nachrüstung erlauben.
In Form eines Lichtschalters oder Dimmers kann die Funktion ersetzt bzw. auch fernbedient werden. Als externes Gerät kann die Funktion eines elektronischen Vorschaltgeräts (EVG) übernommen werden.

Claims

Elektronische Schaltung zur störungsfreien Schaltung und Regelung der Leistung von Verbrauchern insbesondere von kapazitiven bzw. induktiven Lasten innerhalb von Spannungs- bzw. Stromversorgungen, wobei die elektronische Schaltung eine Schaltvorrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungs- bzw. Stromversorgung mittels der Schaltvorrichtung segmentiert wird.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, wobei die elektronische Schaltvorrichtung eine Brückenschaltung und ein elektronisches Schaltelement umfasst, wobei das Schaltelement die Brückenschaltung so beschaltet, dass eine Segmentierung erfolgt.
Elektronische Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das elektronische Schaltelement Röhren und/oder Transistoren, insbesondere IGBTs, MOSFETs, Thyristoren, GTOs, Triacs und stromgesteuerte Transistoren aufweist.
Elektronische Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die elektronische Schaltung ein Schaltungsverlaufaufprägeelement aufweist.
Elektronische Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schaltungsverlaufaufprägeelemente, welche insbesondere als Mikrocontroller und/oder FPGA ausgestaltet sind, aufweist.
Elektronische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Segmentierung als Muster mittels Schaltungsverlaufaufprägeelement dem Verbraucher aufgeprägt wird.
Elektronische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektronische Schaltung bei der Spannungsversorgung in Reihe zum Verbraucher geschaltet ist.
Elektronische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbraucher eine Beleuchtungsanlage aufweist.
Elektronische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Beleuchtungsanlage Leuchtstoffröhren bzw. Leuchtstofflampen, Hochvolt- und oder Niedervolt-Halogenlampen, und/oder Glühlampen aufweist.
Elektronische Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die elektronische Schaltung einen Sensor zur Bestimmung der Lichtverhältnisse aufweist, wodurch das Schaltungsverlaufaufprägeelement geregelt ist.
Verfahren zum Betreiben von Leuchtstoffröhren bzw. Leuchtstofflampen, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche der Leuchtstoffröhre bzw. der Leuchtstofflampe erst einen Strom bzw. eine Spannung aufprägt, welche zum Starten der Lampe bzw. Leuchtstoffröhre ausreicht, und anschließend die Versorgungsspannung so herunter dros selt, dass die Leuchtstoffröhre bzw. Leuchtstofflampe den Betrieb aufrecht erhält.
Nachrüstsatz, insbesondere für Leuchtstofflampen bzw. Leuchtstoffröhren, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachrüstsatz ein elektronisches Vorschaltgerät, insbesondere einen Starter für Halogen- und Leuchtstofflampen, und eine Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist.
Leuchtstofflampe, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtstofflampe eine elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist.
Gebäude, insbesondere Halle, mit einer elektronischen Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder einer Leuchtstofflampe nach Anspruch 13.