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Die Erfindung betrifft ein netzbetriebenes, vorzugsweise aus dem öffentlichen Wechselspannungsversorgungsnetz betriebenes, elektrisches Gerät, wie bspw. und insbesondere ein Vorschaltgerät für Leuchtmittel, wie Gasentladungslampe(n) oder LEDs. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein solches Vorschaltgerät mit verbesserter elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV).
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Es ist bekannt, dass elektronische Vorschaltgeräte und auch andere netzbetriebene Geräte elektromagnetische hochfrequente Abstrahlungen erzeugen, die als Störungen in Erscheinung treten und ein bestimmtes Maß nicht übersteigen sollen. Die von dem Gerät ausgehenden Störungen können sowohl durch direkte Abstrahlung wie auch über Zuleitungen verbreitet werden. Zuleitungen können dabei als abstrahlende Antennen wirken.
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Zur Minderung solcher elektromagnetischen Störungen schlägt bspw. die
WO 93/20677 ein elektronisches Vorschaltgerät vor, bei dem zwischen einer PE-Anschlussklemme des Vorschaltgeräts und einem Masseanschluss in dem Vorschaltgerät ein Kondensator angeordnet ist.
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Bei dieser Lösung ist keine direkte galvanische Verbindung zwischen dem Masseanschluss des Geräts und dem Schutzleiter vorhanden, was gelegentlich abgelehnt wird.
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Weiter ist aus der
EP 2 067 386 B1 ein Schaltungsvorschlag bekannt, bei dem zwischen dem PE-Anschluss des netzseitigen Klemmenblocks einer Leuchte und einem internen Masseanschluss ein Leitungsstück mit einem Dämpfungselement vorgesehen ist. Das Dämpfungselement kann alternativ zwischen dem PE-Anschluss und dem Masseanschluss des elektronischen Vorschaltgeräts vorgesehen sein. Das Dämpfungselement soll das Störspektrum absorbieren, das aus Resonanzschwingungen des Leuchtengehäuses und des Gehäuses des elektronischen Vorschaltgeräts resultiert. Als Dämpfungselement ist eine hochfrequenzabsorbierende Ferritperle vorgesehen. Mit dieser Lösung wird eine Dämpfung der Störabstrahlung im Bereich 20 MHz bis 30 MHz erreicht. Allerdings erfordert diese Lösung ein Dämpfungsbauelement, das hoch strombelastbar ist. Bei üblichen Schutzleiterprüfungen müssen Testströme von 25 A durch die Leitung fließen, an der die Ferritperle angebracht ist.
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Auch stellt sich zunehmend die Forderung zur Beschränkung der Störabstrahlung im höherfrequenten Bereich, bspw. im Frequenzbereich von 50 MHz bis 300 MHz, insbesondere bei 100 MHz. Derartige Störabstrahlungen verhalten sich anders als weniger hochfrequente Störungen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein netzbetriebenes Gerät bereitzustellen, das einerseits den entsprechenden Anforderungen für elektrische Sicherheit genügt und andererseits eine geringe Störabstrahlung, insbesondere eine geringe hochfrequente Störabstrahlung aufweist.
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Diese Aufgabe wird mit dem Gerät nach Anspruch 1 gelöst:
Bei dem erfindungsgemäßen Gerät ist zwischen dem PE-Anschluss einer Netzklemme und einer netzspannungsführenden Leitung ein Zweig vorgesehen, in dem eine Reihenschaltung, bestehend aus einem Y-Kondensator und einer Resonanzbaugruppe, vorgesehen ist. Die Resonanzbaugruppe ist vorzugsweise darauf ausgelegt, den Durchgang von hochfrequenten Störfrequenzen zu behindern. Sie verhindert damit, dass hochfrequente Spannungen über den PE-Anschluss auf den Schutzleiter gelangen, der dann als Antenne wirken und diese hochfrequenten Spannungen abstrahlen könnte.
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Andererseits werden weniger hochfrequente Störspannungen weniger stark behindert und somit über den PE-Anschluss auf den Schutzleiter gegeben. Dieser ist jedoch für die weniger hochfrequenten Störungen niederohmig und schließt diese ohne schädliche Abstrahlung kurz.
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Vorzugsweise weist die Resonanzbeaugruppe mindestens eine induktive Komponente und eine kapazitive Komponente auf. Außerdem kann eine dissipative Komponente vorgesehen sein. Die induktive Komponente und die kapazitive Komponente sind vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, dass sie eine Parallelresonanz, d.h. ein Impedanzmaximum, definieren, das vorzugsweise zwischen 50 MHz und 200 MHz, vorzugsweise bei 100 MHz liegt. Die Güte des von der induktiven Komponenten und der kapazitiven Komponente gebildeten Parallelresonanzschwingkreises ist vorzugsweise wenigstens so hoch, dass die in der Resonanz allein wirksame dissipative Komponente einen Wert zwischen 1 und 3 kΩ, vorzugsweise 2 kΩ aufweist.
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Während die induktive Komponente vorzugsweise einen Wert zwischen 5 µH und 10 µH aufweist, hat die kapazitive Komponente vorzugsweise einen Wert zwischen 0,1 pF und 1 pF, vorzugsweise 0,4 pF.
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Der Y-Kondensator weist vorzugsweise eine Größe auf, die im Wesentlichen dem 10000fachen der kapazitiven Komponente der Resonanzbaugruppe entspricht. Vorzugsweise liegt die Kapazität des Y-Kondensators zwischen 1 nF und 4,7 nF, vorzugsweise beträgt sie zwischen 2,2 nF und 3,3 nF. Auf diese Weise kann durch die Wechselwirkung zwischen der Resonanzbaugruppe und dem Y-Kondensator eine Serienresonanz (Impedanzminimum) erbracht werden, die ungefähr bei einem Hunderstel der gesperrten Frequenz, z.B. bei etwa 1 MHz liegt. Somit werden niederfrequente Störanteile (um 1MHz) wirksam kurzgeschlossen.
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Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen der Beschreibung oder der Zeichnung. Es zeigen:
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1 ein Gerät mit elektronischem Netzteil zum Betrieb einer Lichtquelle, in schematischer Blockdarstellung,
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2 und 3 Ausführungsformen des Netzfilters und Gleichrichters des Geräts, nach 1,
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4 die Resonanzbaugruppe aus dem Netzfilter, nach 2 und 3 als Ersatzschaltbild,
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5 die Resonanzbaugruppe nach 4, in teilweise schematischer Darstellung,
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6 den Impedanzverlauf der Resonanzbaugruppe, nach 4 und 5, als Diagramm, und
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7 abgestrahlte Störsignale mit und ohne Verwendung der Resonanzbaugruppe in dem Netzfilter, nach 2 und 3 als Diagramm.
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In 1 ist ein Gerät 10 veranschaulicht, das zum Betrieb einer Lichtquelle 11 dient. Die Lichtquelle 11 kann jedes geeignete Leuchtmittel, bspw. eine Halogen-Glühlampe, eine LED, eine Niederdruckgasentladungslampe, wie bspw. eine Leuchtstofflampe, oder aber auch eine Hochdruckgasentladungslampe sein, wie bspw. eine HID-Lampe. Das Gerät 10 ist an ein öffentliches Versorgungsnetz 12 angeschlossen, das bspw. eine wechselspannungführende Leitung 13, eine nullpotentialführende Leitung 14 und einen Schutzleiter 15 umfasst. Die Leitung 13 ist dabei an einen L-Eingang 16, die Leitung 14 an einem N-Eingang 17 und die Leitung 15 an einem PE-Eingang 18 des Geräts 10 angeschlossen (siehe 1 und 2).
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Das Gerät 10 weist im Anschluss an seine netzseitigen Eingänge ein Netzfilter 19 auf, über das das Netz 12 mit Eingängen 20a, 20b eines Gleichrichters 20 verbunden ist. An seine Ausgänge 20c, 20d schließt sich eine elektronische Schaltung 21 an, von der Störimpulse ausgehen können. Die elektronische Schaltung 21 ist dafür vorgesehen, die über das Netzfilter 19 und den Gleichrichter 20 aus dem Netz 12 gelieferte Energie in Strom und Spannung für die Lichtquelle 11 umzusetzen. Die Schaltung 21 kann insoweit als Netzteil angesehen werden. Sie kann einen Schutzleiteranschluss 21b aufweisen, der vorzugsweise mit dem PE-Anschluss 18 verbunden ist.
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Die Schaltung 21 umfasst ein oder mehrere elektronische schaltende Komponenten 21a, wie Schalttransistoren oder dergleichen, die die von dem Gleichrichter 20 gelieferte gleich gerichtete Netzspannung zerhacken. Zum Beispiel kann dazu eine sogenannte PFC-Schaltung, d.h. eine Leistungsfaktor-Korrekturschaltung, verwendet werden, die typischerweise einen Hochsetzsteller umfasst. Das Netzfilter 19 dient dazu, die von dem Hochsetzsteller ausgehenden durch den Gleichrichter 20 durchgreifenden Störimpulse zu unterdrücken.
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Das Netzfilter 19 ist in 2 gesondert veranschaulicht. Es weist eine stromkompensierte Drossel 22 zur Unterdrückung von Störimpulsen auf, damit diese, ausgehend von dem Gleichrichter 20, nicht über den L-Anschluss und den N-Anschluss in das Netz 12 gelangen können. Vor und hinter der Drossel 22 angeordnete Kondensatoren 23, 24 unterdrücken weitere Störkomponenten. Diese Kondensatoren 23, 24 werden auch als X-Kondensatoren bezeichnet. Ein Varistor 25, der parallel zu dem netzseitigen X-Kondensator 23 geschaltet ist, unterdrückt Überspannungsimpulse. Eine Sicherung 26 dient dem Überstromschutz.
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Das Netzfilter 19 enthält eine Reihenschaltung 27 in einem Schaltungszweig, der von der netzspannungsführenden Leitung 28’ bzw. dem Eingang 20a des Gleichrichters 20 zu dem PE-Eingang 18 führt. Die netzspannungsführende Leitung 28 ist über einen Zweig der Drossel 22 mit dem L-Eingang 16 verbunden.
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Die Reihenschaltung 27 umfasst einen Y-Kondensator 28 und eine Resonanzbaugruppe 29. Wie durch Vergleich der 2 und 3 erkennbar ist, kann dabei die Reihenfolge des Y-Kondensators 28 und der Resonanzbaugruppe 29 getauscht sein. Auch ist es möglich, die Reihenschaltung 27 zwischen den L-Anschluss 16 und den PE-Anschluss 18 zu schalten.
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Die Resonanzbaugruppe 29 ist in 4 im Ersatzschaltbild veranschaulicht. Ihr Resonanzverhalten kann durch drei Komponenten modelliert werden, nämlich eine induktive Komponente 30, eine kapazitive Komponente 31 und eine resistive oder dissipative Komponente 32. Die induktive Komponente 30 und die kapazitive Komponente 31 bilden einen Parallelschwingkreis. Die Resonanzfrequenz dieses Parallelschwingkreises liegt vorzugsweise im Zentrum des abzusperrenden Frequenzbereichs, z.B. bei 100 MHz. Die induktive Komponente weist dazu eine Induktivität zwischen 5 und 10 µH auf. Die kapazitive Komponente weist dabei vorzugsweise eine Kapazität zwischen 0,2 pF und 0,6 pF auf. Andere LC-Verhältnisse sind jedoch möglich.
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Die Güte des so gebildeten Parallelschwingkreises ist vorzugsweise wenigstens so hoch, dass die im Resonanzfall als ohmscher Widerstand R zu messende resistive Komponente 32 einen Wert von größer 1 kΩ, vorzugsweise etwa 2 kΩ, aufweist. Der Verlauf des Betrags |X| der Impedanz X über der Frequenz ist in 6 veranschaulicht. Bei der Resonanzfrequenz f0 hat die Impedanz X ihr Maximum von ungefähr 2 kΩ. Aufgrund der somit begrenzten Güte werden auch benachbarte Frequenzen von dem Resonanzbauelement 29 relativ gut gesperrt.
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5 veranschaulicht symbolhaft eine einfache technische Realisierung der Resonanzbaugruppe 29. Sie ist bspw. als SMD-Bauelement ausgebildet. Sein Körper 33 enthält oder bildet eine Induktivität, indem er bspw. mit dünnem Draht umwickelt ist. Der Körper 33 kann aus einem Keramikmaterial, insbesondere aus einem Ferrit, bestehen. Der Serienwidersand des Drahts 34 ist vorzugsweise geringer als 1 Ω. An den beiden Enden des Körpers 33 können Endkappen 35, 36 aus dünnem Blech oder auch einer metallischen Beschichtung vorgesehen sein, die mit den Enden des Drahts 34 verbunden sind und als Lötanschlüsse des SMD-Bauelements dienen. Die Endkappen 35, 36 bilden Platten eines Kondensators und tragen somit maßgeblich zur Ausbildung der kapazitiven Komponenten 31 bei. Der Körper 33 bildet insoweit das Dielektrikum. Die im Resonanzfall auftretenden dissipativen Verluste, bspw. Magnetisierungsverluste des Körpers 33, bilden die resistive Komponente 32. Alternativ kann das SMD-Bauelement als Mehrlagenbauelement aufgebaut sein.
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Die Funktion des Netzfilters 19 geht aus 7 hervor. Zum Vergleich veranschaulicht eine Kurve I eine gemessene abgestrahlte Störspannung über der Frequenz bei kurzgeschlossener Resonanzbaugruppe 29. Ersichtlicherweise schließt der Y-Kondensator 28 bis zu einem Frequenzbereich von ungefähr 50 bis 60 MHz auftretende Störungen weitgehend kurz. Eine durch Normung vorgegebene Grenzkurve 37 wird jedenfalls nicht überschritten. Darüber, insbesondere im Frequenzbereich um 100 MHz, überschreitet die Kurve I jedoch die Grenzkurve 37.
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Ist die Resonanzbaugruppe 29 nach 2 oder 3 jedoch wirksam, entsteht die Messkurve II, bei der die gemessene Störspannung deutlich unter der Grenzkurve 37 bleibt. Die Resonanzbaugruppe 29 verhindert, dass Störungen von der Leitung 28’ über den Y-Kondensator 28, sowie den PE-Anschluss 18 auf den Schutzleiter 15 gelangen und von diesem abgestrahlt würden. Die Resonanzbaugruppe 29 verhindert, dass gerade diejenigen Frequenzen auf den Schutzleiter 15 gelangen, für die der Schutzleiter 15 nicht als Senke, sondern als Antenne wirken würde.
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Wenn bei einer Schutzleiterprüfung ein Prüfstrom von z.B. 25 A über den PE-Anschluss und ein geerdetes Teil des Geräts 10 geschickt wird, fließt dieser nicht durch die Resonanzbaugruppe 29. Diese kann somit sehr platzsparend und klein, z.B. als SMD-Bauelement ausgebildet und über dünne Leiterzüge kontaktiert sein. Somit verbessert das erfindungsgemäße Konzept nicht nur die elektromagnetische Verträglichkeit des Geräts 10 sondern auch die Designfreiheit.
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Es wird darauf hingewiesen, dass bei allen vorbeschriebenen Ausführungsformen eine Reihenschaltung 27, die gemäß einer der vorbeschriebenen Ausführungsformen ausgebildet ist, ergänzend oder alternativ auch zwischen dem Eingang 20b des Gleichrichters 20 und dem PE-Anschluss 18 angeordnet sein kann. Weiter ist es bei allen vorbeschriebenen Ausführungsformen möglich, ergänzend oder alternativ eine Reihenschaltung 27, die gemäß einer der vorbeschriebenen Ausführungsformen ausgebildet ist, zwischen einen oder beide Gleichrichterausgänge 20c und/oder 20d und den PE-Anschluss 18 zu schalten. Von dem nachgeschalteten Hochsetzsteller herrührende hochfrequente Störungen können so effektiv eingegrenzt und an der Verbreitung gehindert werden, während weniger hochfrequente Störungen effizient kurzgeschlossen werden.
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Das erfindungsgemäße Gerät 10 weist als zusätzliche Entstörmaßnahme in einem von einer netzspannungsführenden Leitung 28’ zu einem PE-Anschluss 18 führenden Zweig eine Resonanzbaugruppe 29 auf, die als Sperrfilter wirkt. Sie hemmt den Durchgang von Frequenzen, für die der Schutzleiter als Antenne wirken würde. Es handelt sich dabei vorzugsweise um einen Frequenzbereich zwischen 80 und 120 MHz, einschließlich eventuell benachbarter Frequenzen. Vorzugsweise hat die Resonanzbaugruppe Sperrfiltercharakteristik durch Erzielung einer Parallelresonanz.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gerät
- 11
- Lichtquelle
- 12
- Netz
- 13
- wechselspannungsführende Leitung
- 14
- nullpotentialführende Leitung
- 15
- Schutzleiter
- 16
- L-Eingang
- 17
- N-Eingang
- 18
- PE-Eingang
- 19
- Netzfilter
- 20
- Gleichrichter
- 20a
- netzspannungsführender Eingang des Gleichrichters
- 20b
- nullspannungsführender Eingang des Gleichrichters
- 20c
- erster Ausgang des Gleichrichters
- 20d
- zweiter Ausgang des Gleichrichters
- 21
- elektronische Schaltung
- 21a
- elektronischer Schalter der Schaltung
- 21b
- Schutzleiteranschluss der Schaltung 21
- 22
- Drossel
- 23
- Kondensator
- 24
- Kondensator
- 25
- Varistor
- 26
- Sicherung
- 27
- Reihenschaltung
- 28
- Y-Kondensator
- 28’
- netzspannungführende Leitung
- 29
- Resonanzbaugruppe
- 30
- induktive Komponente
- 31
- kapazitive Komponente
- 32
- resistive Komponente
- 33
- Körper
- 34
- Draht
- 35
- Endkappe
- 36
- Endkappe
- 37
- Grenzkurve
- X
- Impedanz
- |X|
- Betrag der Impedanz
- I
- Messkurve der Störungen ohne Resonanzbaugruppe 29
- II
- Messkurve der Störungen mit Resonanzbaugruppe 29
- R
- ohmscher Widerstand
- f
- Frequenz
- f0
- Resonanzfrequenz
- dBµV
- Einheit der gemessenen Störspannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 93/20677 [0003]
- EP 2067386 B1 [0005]
