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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Betriebsgerät für Leuchtmittel, wie z.B. eine oder mehrere Gasentladungslampen oder Leuchtdioden (LEDs). Die Erfindung betrifft insbesondere ein Betriebsgerät mit der Fähigkeit, die Eingangsspannung zu erkennen, insbesondere hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs, der Amplitude und/oder der Frequenz der Eingangsspannung, wobei das Betriebsgerät eine Versorgungsschaltung umfasst, welche aus einer am Speiseanschluss anliegenden Eingangsspannung mindestens eine von mehreren möglichen, vorgegebenen Versorgungsspannungen für mindestens ein Leuchtmittel erzeugt. Die Versorgungsschaltung hat eine Primärspule und eine Sekundärspule zur Potentialtrennung zwischen einer Primärseite mit dem Speiseanschluss und einer Sekundärseite zum Anschluss der Leuchtmittel. Ferner umfasst ein gattungsgemäßes Betriebsgerät eine Steuereinrichtung, welche die Versorgungsschaltung steuert sowie eine Vorrichtung zum Erkennen der Eingangsspannung, insbesondere hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs, der Amplitude und/oder der Frequenz, durch eine sekundärseitige Erfassung.
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In der Regel muss innerhalb eines Betriebsgeräts für Leuchtmittel eine galvanische Trennung bzw. eine Potentialtrennung zwischen einer mit der Netzspannung zu verbindenden Primärseite und einer für den Benutzer zugänglichen Sekundärseite gewährleistet sein. Die Anforderung der Potentialtrennung besteht insbesondere, wenn Funktionen des Betriebsgeräts von außen steuerbar oder programmierbar sein sollen.
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Diese Trennung ist Teil der Sicherheitsanforderungen an die Isolierung gegenüber potentiell oder tatsächlich Netzspannung führenden Teilen. Die Leuchtmittel und/oder sekundärseitige Baugruppe(n) des Betriebsgeräts sollen auf einem von der Versorgungsspannung galvanisch getrennten Potential betrieben werden. Aus Sicherheitsgründen ist meist eine galvanische Netztrennung über eine SELV-Wicklung vorgesehen.
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Weiterhin ist in vielen Fällen die Fähigkeit wünschenswert, die zur Speisung dienende Eingangsspannung zu erkennen, etwa dahingehend, ob es sich um eine Wechselspannung oder eine Gleichspannung handelt oder dahingehend, welche Amplitude die Eingangsspannung aufweist. Auch ein Ausfall der Netzversorgung kann z.B. für einen Notlichtbetrieb erkannt werden.
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Das Ergebnis dieser Erkennung wird, z.B. durch einen Mikrocontroller, welcher als Steuereinrichtung zur Steuerung des Betriebsgeräts vorgesehen ist, ausgewertet und zu bekannten Zwecken verwendet. Aus Sicherheits- und/oder Kostengründen ist die entsprechende Funktionseinheit, beispielsweise die Steuereinrichtung, typisch auf der potentialgetrennten Sekundärseite des Betriebsgeräts vorgesehen. Dementsprechend muss das Erkennungsergebnis über die primärseitig anliegende Eingangsspannung zur Potentialtrennung über eine Sensorik und Datenverbindung mit galvanischer Trennung zur Sekundärseite übertragen werden. Dies erfolgt in der Praxis beispielsweise anhand von Optokopplern. Folglich ist die Erkennung der Eingangsspannung bei potentialgetrennten herkömmlichen Betriebsgeräten mit erhöhtem Aufwand verbunden, nicht nur kostenmäßig, sondern auch hinsichtlich des erforderlichen Bauraums bzw. der Bestückungsfläche auf der Platine.
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Ein in dieser Hinsicht weiterentwickeltes Betriebsgerät, welches bei Potentialtrennung ohne erheblichen Mehraufwand zur Erkennung der Eingangsspannung geeignet ist, ist aus der
DE 10 2008 055 862 A1 bekannt.
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Das Betriebsgerät aus
DE 10 2008 055 862 A1 umfasst eine Versorgungsschaltung mit einer Primärspule und einer Sekundärspule, welche miteinander elektromagnetisch gekoppelt sind und u.a. die Potentialtrennung zwischen Primärseite und Sekundärseite des Betriebsgeräts gewährleisten. Die Versorgungsschaltung erzeugt aus unterschiedlichen Eingangsspannungen am Speiseanschluss mindestens eine Versorgungsspannung für ein Leuchtmittel und für die sonstigen Baugruppen des Betriebsgeräts. Zur Erkennung der Eingangsspannung am Speiseanschluss des Betriebsgeräts ist im vorgenannten Betriebsgerät sekundärseitig eine spezielle Vorrichtung vorgesehen. Dieser kann sekundärseitig einen Messwert erfassen und zur Erkennung der Eingangsspannung nutzen. Hierzu hat diese Vorrichtung eine sekundärseitig angeordnete Logikschaltung, welche sekundärseitig die Spannung erfasst, nämlich an der Sekundärspule der Versorgungsschaltung zur Versorgung der Leuchtmittel.
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Aus der
EP 2 249 458 B1 ist ferner ein Notlichtgerät bekannt, bei welchem ebenfalls eine sekundärseitige Erfassung vorgeschlagen wird, nämlich an der Sekundärspule der Versorgung bzw. Ladeschaltung für den Energiespeicher zum Notlichtbetrieb. Ein reines Notlichtgerät ist kein gattungsgemäßes Betriebsgerät, denn es stellt nur bei Ausfall der allgemeinen Beleuchtung eine Notbeleuchtung zur Verfügung. Allerdings entfällt auch beim Notlichtgerät gemäß
EP 2 249 458 B1 die aufwendige galvanische Trennung zwischen der Sensorik zum Messen der Netzversorgungsspannung und der zugehörigen Logik.
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Wie die Auswertung der sekundärseitigen Spulenspannung zur Erkennung der primärseitigen Eingangsspannung im Einzelnen erfolgen soll ist allerdings in beiden vorgenannten Quellen nicht näher offenbart.
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Nachteilig bei der Lösung aus
DE 10 2008 055 862 A1 ist insbesondere, dass eine Erkennung über die Sekundärspule der Versorgung für die Leuchtmittel energetisch ineffizient ist. Der Ansatz aus
EP2249458B1 ist nicht ohne weiteres auf ein gattungsgemäßes Betriebsgerät übertragbar und gibt keine Anhaltspunkte für eine stromsparende Bauweise.
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Die
EP 2 675 037 A1 beschreibt eine Betriebssteuervorrichtung für eine Beleuchtungsanordnung, die eine Notbeleuchtung aufweist. Die Betriebssteuervorrichtung weist einen Speicherkondensator zur Versorgung der Notbeleuchtung auf, wenn eine im Normalbetrieb verfügbare Netzspannung ausfällt. Über eine Ladeschaltung wird der Speicherkondensator bei verfügbarer Netzspannung geladen. Die Ladeschaltung weist einen ersten Wandler mit galvanischer Trennung auf, der vorzugsweise als Sperrwandler ausgeführt ist. Die Ladeschaltung wird von einer Steuereinheit angesteuert. Die Steuereinheit bestimmt den Ladezustand des Speicherkondensators und steuert abhängig davon die Ladeschaltung an. Zwischen dem Speicherkondensator und der Notbeleuchtung ist ein zweiter Wandler, vorzugsweise ein Sperrwandler, angeordnet. Unabhängig von der am Speicherkondensator verfügbaren Kondensatorspannung kann die erforderliche elektrische Leistung über den zweiten Wandler an der Notbeleuchtung bereitgestellt werden.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es mithin, ein gattungsgemäßes Betriebsgerät für Leuchtmittel vorzuschlagen, welches durch sekundärseitige Erfassung eine Erkennung der Eingangsspannung bei zugleich geringerem Leistungsverbrauch erzielt.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Betriebsgerät gemäß dem Oberbegriff aus Anspruch 1 dadurch gelöst, dass eine zusätzliche Hilfsversorgung vorgesehen ist, welche die Steuereinrichtung versorgt, und dass die Vorrichtung die Erkennung der Eingangsspannung sekundärseitig an der Hilfsversorgung und nicht an der Versorgungsschaltung der Leuchtmittel, d.h. nicht an der Hauptversorgung vornimmt.
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Insbesondere weist die Hilfsversorgung zur Potentialtrennung zwischen der Primär- und Sekundärseite eine weitere Primärspule und eine weitere Sekundärspule auf, wobei die Vorrichtung zur Spannungserkennung erfindungsgemäß ein Messsignal an einem mit der weiteren Sekundärspule der Hilfsversorgung leitend verbundenen Messpunkt abgreift und ausgehend von diesem Messsignal einer sekundärseitigen Auswertungseinheit der Vorrichtung ein Signal zuführt. Die zusätzliche Hilfsversorgung dient als interne Versorgung für bestimmte Baugruppen, insbesondere die Steuereinrichtung, nicht jedoch zur Speisung der Leuchtmittel.
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Mit dieser Anordnung lässt sich die Erkennung der Versorgungsspannung auf einfache Weise mit einem Energiesparbetrieb bzw. Standbymodus des Betriebsgerätes kombinieren. Insbesondere wird vermieden, dass zur Eingangsspannungserkennung eine Leistungsaufnahme durch die Versorgungsschaltung bzw. Hauptversorgung nötig ist.
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Das Messsignal kann im Wesentlichen unverändert, z.B. über einen hochohmigen Abgriff, der Auswertungseinheit zugeführt werden.Es ist eine von der Primärseite potentialgetrennte Anpassungsschaltung vorgesehen. Die Anpassungsschaltung dient zum Abgreifen eines Messsignals an dem mit der Sekundärspule der Hilfsversorgung leitend verbundenen Messpunkt und zum Anpassen dieses Messsignals bzw. zum Umwandeln dieses Messsignals in ein auswertbares Signal für die Auswertungseinheit.
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Die sekundärseitige Auswertungseinheit, kann zweckmäßig als integrierter Bestandteil der Steuereinrichtung, welche die Treiber-schaltung steuert ausgeführt sein. Die Auswertungseinheit bzw. Steuereinrichtung hat somit vorzugsweise einen mit der Anpassungsschaltung leitend verbundenen Eingang für das angepasste, auswertbare Signal.
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Leitend verbunden bedeutet vorliegend nicht zwingend unmittelbar angeschlossen oder geschaltet, jedoch zumindest indirekt potentialmäßig verbunden (im Gegensatz zu galvanisch bzw. potentialmäßig getrennt).
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Die Auswertungseinheit ist vorzugsweise ausgeführt, um den zeitlichen Verlauf, die Amplitude und/oder die Frequenz der Eingangsspannung am Speiseanschluss der Versorgungsschaltung zu erkennen.
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Die Erfindung beruht maßgeblich auf der Erkenntnis, dass auch ausgangsseitig an einer Hilfsversorgung, d.h. auf deren Sekundärseite, Signaleigenschaften erfassbar sind, welche Rückschlüsse auf die Eingangsspannung zulassen. Versuche zeigten, dass auch in diesem Teil der Schaltung die Signaleigenschaften eindeutige Rückschlüsse auf Art, Höhe und ggf. auch Frequenz der Eingangsspannung gestatten und, insbesondere im Spannungsverlauf, welcher unmittelbar über der galvanisch entkoppelten Sekundärspule abfällt, auf verhältnismäßig leichte Weise messbar sind.
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Folglich sind auch im erfindungsgemäßen Betriebsgerät keine besonderen Maßnahmen erforderlich, um eine Potentialtrennung im Signalübertragungsweg zwischen der Vorrichtung und sonstigen Baugruppen des Betriebsgeräts, insbesondere der Steuereinrichtung des Betriebsgeräts, zu gewährleisten. Da die sekundärseitig Erkennung hinreichend genau möglich ist, kann das Ergebnis zu allen an sich bekannten Zwecken verwendet werden, etwa zur Umschaltung auf Notbeleuchtungsbetrieb, zur Optimierung der Betriebsparameter der Versorgungsschaltung etwa durch Filteranpassung hinsichtlich Netzoberschwingungen, zur Versorgungsunterstützung mit Hilfe eines externen Energiespeichers, usw. Es besteht auch die Möglichkeit, Schaltungsstufen bei Netzunter- oder Überspannung hinzu- oder abzuschalten, oder eine EMV-Verbesserung zu erzielen durch Frequenzwobbeln bestimmter Schaltungsteile, welche bei Netzgleichspannung Konstant-Frequenzen erzeugen, wie z.B. der Halbbrücke. Ferner können erkannte Netzzustandsänderungen weitergeleitet werden, z.B. zu Überwachungs und/oder Steuerungszwecken.
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Die Hilfsversorgung ist in der Regel auch als Schaltwandler ausgeführt, unterscheidet sich jedoch zumindest hinsichtlich der Dimensionierung der Komponenten gegenüber der Hauptversorgung bzw. Versorgungsschaltung dadurch, dass sie auf eine deutlich geringere Leistung und geringere Ausgangsspannung ausgelegt ist. Hierdurch werden Energieverluste im Energiesparmodus deutlich reduziert.
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Besonders zweckmäßig ist eine Ausführung, bei welcher die Hilfsversorgung als Gleichspannungswandler (Engl. „DC/DCconverter“), insbesondere als Sperrwandler oder Durchflusswandler, ausgeführt ist. Insbesondere beim Sperrwandler sind die galvanisch entkoppelnde bzw. potentialtrennend wirkende Primärspule und Sekundärspule bereits integrale Bestandteile des Sperrwandlers (Engl. „flyback converter“).
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Mit beiden Spulenanschlüssen der weiteren Sekundärspule der Hilfsversorgung ist eine Serienschaltung mit einer ersten Diode und einem Glättungskondensator parallel verbunden.
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Bei Sperrwandlern ist mit den beiden Spulenanschlüssen der Sekundärspule der Versorgungsschaltung typischerweise eine Serienschaltung mit einer ersten Diode und einem Glättungskondensator parallel verbunden, insbesondere unmittelbar parallel geschaltet. An diesem Glättungskondensator, genauer am Knoten zwischen letzterem und der ersten Diode als Spannungsabgriff, kann eine stabilisierte Gleichspannung bzw. eine quasi-geregelte Versorgungsspannung abgenommen werden, insbesondere für die Steuereinrichtung.
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Bei einer derartigen Schaltung ist es zur Signalverarbeitung vorteilhaft, wenn der Messpunkt unmittelbar zwischen der ersten Diode, zumeist deren Anode, und dem hiermit leitend verbundenen ersten Spulenanschluss der Sekundärspule der Hilfsversorgung vorgesehen ist. An diesem Messpunkt kann unmittelbar der Spannungsverlauf über der Sekundärspule erfasst werden. Stromabwärts von der ersten Diode hingegen sind nur noch die geregelt erzeugten, geglätteten positiven Halbwellen der Sekundärspulespannung erfassbar.
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Besonders einfach gestaltet sich die Erkennung der Eingangsspannung anhand der negativen Halbwellen der Sekundärspulenspannung. Zur technisch einfachen Erfassung dieser negativen Halbwellen umfasst die Anpassungsschaltung eine zur ersten Diode gegenpolige zweite Diode, deren Kathode beispielsweise an dem ersten Spulenanschluss der Sekundärspule der Hilfsversorgung angeschlossen ist. Stromabwärts dieser zweiten Diode ist ausschließlich die negative Halbwelle der Sekundärspulenspannung messbar.
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Zur Speicherung von Impulsenergie der Signalform, welche Rückschlüsse auf die Eingangsspannung erlaubt ist es vorteilhaft, einen zweiten Kondensator, insbesondere einen Impulskondensator vorzusehen, welcher in Serie mit der zweiten Diode und mit dem zweiten Spulenanschluss der Sekundärspule leitend verbunden ist.
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In einer besonders einfachen Ausführung der Anpassungsschaltung umfasst diese lediglich die zweite Diode und den zweiten Kondensator. Die Auswertungseinheit kann hierbei am Knoten zwischen der zweiten Diode und dem zweiten Kondensator abgreifen.
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Zur leichteren Auswertung dieser Spannung wird jedoch vorzugsweise eine Anpassungsschaltung eingesetzt bei welcher der Ausgangsknoten, welcher mit dem Eingang der Auswertungseinheit leitend verbunden ist, mit einem Gleichspannungsversatz beaufschlagt ist. Hierzu sind dem Fachmann geeignete Ansätze bekannt.
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Ein einer Ausführung kann die Anpassungsschaltung eine Zenerdiode und einen Offsetwiderstand umfassen. Die Zenerdiode kann in Serie zwischen der zweiten Diode und dem Ausgangsknoten, mit Sperrrichtung entgegen der zweiten Diode angeschlossen werden. Der Gleichspannungsversatz kann damit am Offsetwiderstand abfallen, welcher zweckmäßig zwischen dem Spannungsabgriff und dem Ausgangsknoten vorgesehen ist.
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Der Gleichspannungsversatz kann in einer anderen Ausführung auch eine Offsetquelle umfassen, welche mit dem Spannungsabgriff bzw. dem Knoten zwischen der ersten Diode und dem Glättungskondensator einerseits und dem Ausgangsknoten der Anpassungsschaltung andererseits verbunden ist. Vorzugsweise wird dabei in Serie zwischen Ausgangsknoten und der zweiten Diode ein Offsetwiderstand geschaltet. Als Offsetquelle wird hierbei jegliche Überlagerungsquelle verstanden, welche zwecks Spannungsverschiebung bzw. -versatz (Engl. DC-Offset) geeignet ist.
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Die Verschiebung um eine Gleichspannung kann auch mit einem einfachen Spannungsteiler erzeugt werden. Dieser kann je nach gewähltem Spulenanschluss entweder einerseits zwischen der Anode der zweiten Diode und andererseits der Kathode der ersten Diode bzw. dem Spannungsabgriff angeschlossen sein, oder umgekehrt einerseits zwischen der Kathode der zweiten Diode und der Anode der ersten Diode. Auch durch einen Spannungsteiler kann auf einfache Weise eine Pegelanpassung erreicht werden, etwa um die negativen Halbwellen pegelmäßig an den Eingang eines Mikrocontrollers anzupassen. Der Abgriff des Spannungsteilers bildet dann den Ausgangsknoten der Anpassungsschaltung.
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Es kann zweckmäßig sein, wenn zwischen Anpassungsschaltung und dem Eingang der Auswertungseinheit einen Tiefpass, insbesondere einen RC-Tiefpass, vorgesehen ist. Der Tiefpass kann z.B. eingangsseitig am Abgriff des Spannungsteilers und dem zweiten Spulenanschluss der Sekundärspule angeschlossen sein und ausgangsseitig leitend mit dem Eingang der Auswertungseinheit verbunden sein.
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Durch eine verhältnismäßig kostengünstige Anordnung aus lediglich einer Diode, einem Spannungsteiler und einen Tiefpass kann bereits erzielt werden, dass die Anpassungsschaltung es einer Auswertungseinheit in typischer Ausführung z.B. einem Mikrocontroller ermöglicht, allein aufgrund der Amplitude der Ausgangsspannung am Tiefpass eine Erkennung der Eingangsspannung dahingehend vorzunehmen, ob eine Wechsel- oder Gleichspannung vorliegt und/oder welche Amplitude die Eingangsspannung aufweist. Anpassungsschaltungen mit einer Pegelanpassung werden jedoch als bevorzugt angesehen, da hierdurch einfachere Ausführungen der Auswertungseinheit bzw. Steuereinrichtung zur Erkennung der Eingangsspannung genutzt werden können.
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Wenn im Betriebsgerät bereits eine leistungsfähigere integrierte Schaltung, etwa ein Mikrocontroller oder ASIC, vorgesehen ist, welche über größere Spannungs- und/oder Frequenzbereiche auswerten können, als herkömmliche Mikrocontroller kann auch ohne genaue Pegelanpassung eine Erkennung erfolgen. So kann mit besonders einfacher Anpassungsschaltung, z.B. wenn diese lediglich die zweite Diode und den zweiten Kondensator umfasst, bereits aufgrund der Welligkeit in der positiven und/oder negativen Halbwelle der Spulenspannung eine Erkennung des zeitlichen Verlaufs und/oder der Frequenz der Eingangsspannung vornehmen.
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In einer besonders zweckmäßigen Ausführung wird die Auswertungseinheit durch einen Mikrocontroller realisiert, vorzugsweise durch einen ohnehin bereits im Betriebsgerät vorgesehenen Mikrocontroller, etwa den Mikrocontroller der Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Versorgungsschaltung und/oder einer oder mehrerer anderer Baugruppen des Betriebsgeräts.
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Nachfolgend wird die Erfindung rein zur Illustration bzw. ohne Einschränkung des Schutzumfangs, anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 ein Schaltplan eines erfindungsgemäßen Betriebsgeräts für ein Leuchtmittel;
- 2A-2D verschiedene Ausführungen einer Anpassungsschaltung für eine Vorrichtung zum Erkennen der Eingangsspannung, welche für das Betriebsgerät nach 1 geeignet sind;
- 3A-3B Oszillogramme der Spannung U am Messpunkt 104 in der Schaltung aus 1, wobei zum Oszillogramm in 3A als Eingangsspannung eine Wechselspannung mit 230V Amplitude und zu 3B als Eingangsspannung 230V Gleichspannung angelegt worden ist;
- 4A-4B eine Transientenanalyse zur Spannung U am Messpunkt 104 aus 1, mit hoher Zeitauflösung (4A) und mit geringerer Zeitauflösung (4B).
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1 zeigt als Beispiel eines Betriebsgeräts ein elektronisches Vorschaltgerät (EVG) 1 mit zwei ausgangsseitigen Versorgungsanschlüssen 2 für die unabhängige Versorgung von zwei Leuchtmitteln L, wie z.B. LED-Modulen bzw. LED-Strings. Das EVG 1 weist eine Versorgungsschaltung 14 auf, mit einer Gleichrichterschaltung 140. Die Gleichrichterschaltung 140 hat einen an sich bekannten Aufbau zum Wandeln der an einem Speiseanschluss 3 anliegenden Eingangsspannung, meist der Wechselspannung des Netzes N, L(D), in eine Gleichspannung an einem Knoten 141. Die Gleichrichterschaltung 140 umfasst meist einen Brückengleichrichter (nicht gezeigt) sowie u.a. eine Primärspule 11 und eine Sekundärspule 12 zur Potentialtrennung zwischen der Eingangsseite bzw. Primärseite auf Seite des Speiseanschlusses 3 und der Ausgangsseite bzw. Sekundärseite mit den Versorgungsanschlüssen 2. Die Zwischenkreisspannung am Knoten 141 speist zwei Schaltwandler 142, 143 der Versorgungsschaltung 14 zum Versorgen der Leuchtmittel L mit einer gewünschten, einstellbaren Versorgungsspannung.
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Am Speiseanschluss 3, können verschiedenste Eingangsspannungen anliegen, etwa 230V-Netzwechselspannung oder eine Gleichspannung. Die Versorgungsschaltung 14 erzeugt hieraus, über die Zwischenkreisspannung am Ausgang der Gleichrichterschaltung 140 bzw. am Knoten 141, mit Schaltwandlern 142, 143 mindestens eine vorgegebene, stabilisierte Versorgungsspannung an jedem Versorgungsanschlüssen 2.
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Die Versorgungsschaltung 14, insbesondere die Gleichrichterschaltung 140 und die Schaltwandler 142, 143 werden hierzu über eine als Mikrocontroller ausgeführte Steuereinrichtung 150 angesteuert, welche auch weiter Funktionen bereitstellt, wie etwa eine Steuerung über einen Datenbus BUS, z.B. nach DALI Standard. Zur Einfachheit der Darstellung sind in der Prinzipskizze nach
1 weitere vom EVG 1 je nach Anwendung umfasste Bauteile, wie z.B. eine Zündvorrichtung oder eine Vorheizvorrichtung bei Gasentladungslampen als Leuchtmittel, nicht dargestellt, da sie dem Fachmann hinreichend bekannt und hier nebensächlich sind. Nähere Einzelheiten zum bevorzugten Aufbau des EVG 1, insbesondere der Versorgungsschaltung 14 können den parallelen Anmeldungen
DE 10 2012 220 760 A1 oder
DE 10 2012 220 761 A1 entnommen werden.
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Das EVG 1 hat jedenfalls eine Potentialtrennung bzw. galvanische Trennung zwischen der Primärseite mit dem Speiseanschluss 3 und der Sekundärseite mit dem bzw. den Versorgungsanschlüssen 2 für die Leuchtmittel L.
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1 zeigt als erfindungsrelevanten Bestandteil des EVG 1 eine Hilfsversorgung 102. Die Hilfsversorgung 102 ist, ausgenommen die gemeinsame Ansteuerung durch Steuereinrichtung 150, vollkommen unabhängig von der Versorgungsschaltung 14 ist. Die Hilfsversorgung 102 versorgt interne Baugruppen, insbesondere die Steuereinrichtung 150 selbst. Die Hilfsversorgung 102 kann hierzu einen an sich bekannten Aufbau, z.B. eines Gleichspannungswandlers aufweisen. Die Hilfsversorgung 102 kann eingangsseitig unmittelbar vom Speiseanschluss 3, oder in geeigneter Weise durch einen Abgriff innerhalb der Gleichrichterschaltung 140 gespeist werden.
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1 zeigt beispielhaft als Hilfsversorgung 102 den Aufbau eines Sperrwandlers. Wie bei den Schaltwandlern 142, 143, wird das Tastverhältnis bzw. die Schaltfrequenz eines Leistungstransistors der Hilfsversorgung 102 durch die Steuereinrichtung 150 geregelt.
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Auch die Hilfsversorgung 102 umfasst zur Potentialtrennung bzw. galvanischen Entkopplung eine Anordnung aus einer Primärspule 111 und einer Sekundärspule 112, in geeigneter Anordnung z.B. eines Speichertransformators. Die Spulen 111, 112 sind demnach zur Leistungsübertragung elektomagnetisch gekoppelt und gewährleisten, wie die Spulen 11, 12, die Potentialtrennung zwischen Primärseite und der Sekundärseite.
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3A-3B veranschaulichen Versuche und Messungen an einem sekundärseitigen Messpunkt 104 und zeigen, dass bei Wechselspannung am Speiseanschluss 3 (3A) einer vorgegebenen Amplitude, etwa 230V, andere Signaleigenschaften in der Spulenspannung der Sekundärspule 112 auftreten, als bei Gleichspannung gleicher Höhe am Speiseanschluss 3 (3B). Insbesondere treten in beiden Fällen negative Spannungsspitzen Umin(AC) bzw. Umin(DC) mit unterschiedlichem Betrag auf, wie in 3A-3B veranschaulicht. Der positive Verlauf der Spannung hingegen, ist aufgrund der Funktionsweise der Hilfsversorgung 102 als Sperrwandler in beiden Fällen im Wesentlichen identisch. 4A-AB zeigt zur Veranschaulichung das Ergebnis einer Transientenanalyse aus einer Schaltungssimulation einer Hilfsversorgung 102 gemäss 1. Aus 4A sind die mit jedem Schaltvorgang in der Hilfsversorgung 102 erzeugten negativen Spannungsspitzen 43 ersichtlich, welche am Messpunkt 104 an der Sekundärspule 112 der Hilfsversorgung 102 feststellbar sind.
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1 veranschaulicht auch eine Vorrichtung welche durch eine sekundärseitige Erfassung an diesem Messpunkt 104 ein Erkennen der Eingangsspannung am Speiseanschluss 3 ermöglicht. Die Erkennung kann hierbei hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs, der Amplitude und/oder der Frequenz, erfolgen. Im Beispiel nach 1 besteht diese Vorrichtung im Wesentlichen aus einer Anpassungsschaltung 200, welche am Messpunkt 104 ein Signal abgreift, und aus einer sekundärseitigen Auswertungseinheit 151, welche eingangsseitig mit dem Ausgang der Anpassungsschaltung 200 verbunden ist. Die Auswertungseinheit kann in die Steuereinrichtung 150 integriert sein, oder ggf. auch durch eine getrennte integrierte Schaltung realisiert werden.
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Auf die Erkenntnisse gemäß 3A-3B bzw. 4A beruhend, dienen die in 2A-2D gezeigten Anpassungsschaltungen 200a; 200b; 200c; 200d der Signalformung bzw. Signalanpassung, um das Messsignal am Messpunkt 104 in eine geeignete Form für einen Analog/Digitalwandler Eingang des Mikrocontrollers zu bringen, welcher die Steuereinrichtung 150 bildet. Die Anpassungsschaltung 200 ist in jeder Ausführung ebenfalls vom potential der Primärseite getrennt. Aufbau und Wirkweise der Vorrichtungsbeispiele 151, 200a-200d zur Erkennung der Eingangsspannung am Speiseanschluss 3 werden nachfolgend näher erläutert.
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Die Hilfsversorgung umfasst, parallel zur Sekundärspule 112 angeschlossen, eine Serienschaltung aus einer ersten Diode 114 und einem Glättungskondensator 115, so dass am Spannungsabgriff 103, d.h. dem Knoten zwischen der Diode 114 und dem Glättungskondensator 115 lediglich positive Anteile der Spulenspannung der Sekundärspule 112 anfallen. Der Spannungsabgriff 103 bildet u.a. den Versorgungsanschluss für die Steuereinrichtung 150.
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Das erste Ausführungsbeispiel nach 2A ist besonders einfach ausgeführt. Diese Anpassungsschaltung 200a erzeugt mit nur zwei Komponenten ein für den Eingang der Auswertungseinheit 151 geeignet angepasstes Signal aus der von der Eingangsspannung abhängigen Spulenspannung U am Messpunkt 104. Die Anpassungsschaltung 200a besteht aus einer zur ersten Diode 114 gegenpoligen zweite Diode 54, deren Kathode an den ersten Spulenanschluss der Sekundärspule 112 geschaltet ist, sowie einem Kondensator 55, welcher in Serie zwischen der zweiten Diode 54 und dem zweiten Spulenanschluss der Sekundärspule 12 angeschlossen ist. Der Eingang 501 der Auswertungseinheit 151 ist leitend mit dem Knoten zwischen der Anode der zweiten Diode 54 und dem Kondensator 55 verbunden. Der Kondensator 55 der Anpassungsschaltung 51 speichert und glättet somit zur Auswertung die impulsartigen, negativen Spannungsspitzen 43 (4A) zur erleichterten Auswertung durch die Auswertungseinheit 151. Je nach Wahl der Spulenanschlüsse kann die Flussrichtung der Dioden 114, 54 auch vertauscht sein.
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Die Varianten nach 2B-2D beaufschlagen den mit dem Eingang 501 der Auswertungseinheit 151 leitend verbundenen Ausgangsknoten der Anpassungsschaltung 200b; 200c; 200d zusätzlich mit einem Gleichspannungsversatz (Engl. DC-Offset), ähnlich einer Arbeitspunkteinstellung.
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Die Anpassungsschaltung 200b aus 2B hat hierzu neben der Diode 64 und dem Kondensator 65 eine Zenerdiode 66 und einen Offsetwiderstand 67, welcher mit dem Spannungsabgriff 103 und mit dem Ausgangsknoten bzw. dem Eingang 501 leitend verbunden ist. Die Zenerdiode 66 ist zur Vermeidung eines unerwünschten Rückstroms mit Sperrrichtung entgegen der zweiten Diode 64, in Serie zwischen letzterer und dem Ausgangsknoten angeschlossen am Kondensator 65.
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In 2C hat die Anpassungsschaltung 200c als Offsetquelle eine Stromquelle 77, welche vom Spannungsabgriff 103 einen Strom zieht welcher über einem Offsetwiderstand 76 in Serie zwischen dem Ausgangsknoten bzw. dem Eingang 501 und der zweiten Diode 74 eine Offsetspannung abfallen lässt.
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2D zeigt eine weitere, bevorzugte Variante einer Anpassungsschaltung 200d mit ebenfalls einer zur ersten Diode 114 gegenpoligen zweiten Diode 84, einem Kondensator 85 und einem einen Spannungsteiler aus zwei Spannungsteilerwiderständen 86, 87. Deren Serienschaltung ist zwischen die der Anode der zweiten Diode 84 und dem Abgriff 103 bzw. der Kathode der ersten Diode 114 geschaltet. Die Flussrichtungen der Dioden 114 bzw. 54, 64, 74, 84 können umgekehrt gewählt sein, wenn der andere Spulenanschluss der weiteren Sekundärspule 112 genutzt wird. Der Spannungsteiler 86, 87 erzeugt ebenfalls einen geeigneten Gleichspannungsversatz (DC-Offset), um das Messsignal vom Messpunkt 104 an den Eingangsspannungsbereich der Auswertungseinheit 151.
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Nicht näher gezeigt ist ein RC-Tiefpass welcher eingangsseitig an den Ausgangsknoten der Anpassungsschaltung 200, z.B. an Mittenabgriff des Spannungsteilers in 2D,und ausgangsseitig leitend mit dem Eingang 501 der Auswertungseinheit 151 verbunden. So kann das gerichtete, mit einem DC-Offset versehene Messsignal zudem zur erleichterten Auswertung durch die Auswertungseinheit 151 noch tiefpassgefilter sein.
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Unter Verwendung einer Anpassungsschaltung 200 kann ein herkömmlicher Mikrocontroller, welcher z.B. typisch als Steuereinrichtung 150 zur Steuerung des Betriebsgeräts 1 eingesetzt wird, genutzt verwendet werden um die Auswertungseinheit 151 bereitzustellen bzw. zu realisieren.
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Ein praktischer Versuch mit einer Anpassungsschaltung 200d nach
2D, ggf. ergänzt um einen Tiefpass, zeigte z.B., dass in weiten Bereichen der Eingangsspannung am Speiseanschluss 3 bereits allein durch den Betrag der angepassten Spannung am Ausgang der Anpassungsschaltung 200d eine eindeutige Entscheidung sowohl zur Amplitude als auch zur Form der Eingangsspannung möglich ist:
| UEin (AC / DC) | UM (AC) | UM (DC) |
| [V] | [V] | [V] |
| 198 | 3, 88 | 6, 3 |
| 230 | 2,44 | 5,23 |
| 264 | 0, 95 | 4, 13 |
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Hierbei ist UM die Spannung am Mittenabgriff der Spannungsteilerwiderstände 86, 87, genauer UM(AC): bei Wechselspannung mit Amplitude UEin am Speiseanschluss 3 und UM(DC) bei Gleichspannung mit Amplitude UEin am Speiseanschluss 3. Der Versuch zeigt, dass im Bereich zwischen 198V und 264V eine sichere AC/DC-Erkennung möglich ist. Zudem kann über den Betrag der Spannung am Ausgangsknoten der Anpassungsschaltung 200 eindeutig auf die Höhe der Eingangsspannung rückgeschlossen werden.
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Die Auswertungseinheit 151 kann somit in einfacher Weise, z.B. aufgrund einer Analog/Digital Wandlung des Signals am Eingang 501 und anschließendem Vergleich des Signalwerts mit vorgespeicherten Werten einer Lookup-Tabelle eine Erkennung der Eingangsspannung am Speiseanschluss 3 erzielen. Die Erkennung kann allein dahingehend gerichtet sein, ob eine Wechselspannung oder eine Gleichspannung am Eingang vorliegt (z.B. zur Unterscheidung einer Notstromversorgung) oder auch um eine Schätzung der Höhe bzw. Amplitude der Eingangsspannung ergänzt sein.
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Nach Erkennung kann die Steuereinrichtung 150 die Ausgangsspannung an den Versorgungsanschlüssen 2 anpassen, oder z.B. über eine Datenverbindung 105, 106 auf den Betriebszustand einer Notlichteinheit 120 einwirken. So kann z.B. bei erkannten Ausfall der Netzversorgung L(D),N auf ein Notlichtbetrieb umgestellt werden. Die Vorrichtung aus Auswertungseinheit 151 und Anpassungsschaltung 200 dient somit als Messglied für eine anschließende Regelung oder Steuerung durch die Steuereinrichtung 150.
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4B zeigt das Simulationsergebnis einer Transientenanalyse für eine 50Hz-Netzwechselspannung am Speiseanschluss 3 mit geringerer Zeitauflösung als 4A. Wie die Umhüllende 43 in 7 veranschaulicht, könnten auch anhand der Welligkeit des Signals am Messpunkt 104 Rückschlüsse auf die Eingangsspannung gezogen werden, zumindest hinsichtlich der Frequenz.
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Bezugszeichenliste
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1
- 1
- Betriebsgerät (EVG)
- 2
- Versorgungsanschluss
- 3
- Speiseanschluss
- 11
- Primärspule
- 12
- Sekundärspule
- 14
- Versorgungsschaltung
- 102
- Hilfsversorgung
- 103
- Spannungsabgriff
- 104
- Messpunkt
- 111
- weitere Primärspule
- 112
- weitere Sekundärspule
- 114
- erste Diode
- 115
- Glättungskondensator
- 120
- Notlichteinheit
- 140
- Gleichrichterschaltung
- 141
- Knoten (Zwischenkreisspannung)
- 142, 143
- Schaltwandler
- 150
- Steuereinrichtung
- 151
- Auswertungseinheit
- 200
- Anpassungsschaltung
- 501
- Eingang (Auswertungseinheit)
- L
- Leuchtmittel
-
2A
- 200a
- Anpassungsschaltung
- 54
- zweite Diode
- 55
- Kondensator
- 501
- Eingang (Auswertungseinheit)
-
2B
- 200b
- Anpassungsschaltung
- 64
- zweite Diode
- 65
- Kondensator
- 66
- Zenerdiode
- 67
- Offsetwiderstand
- 501
- Eingang (Auswertungseinheit)
-
2C
- 200c
- Anpassungsschaltung
- 74
- zweite Diode
- 75
- Kondensator
- 76
- Offsetwiderstand
- 77
- Offsetquelle
- 501
- Eingang (Auswertungseinheit)
-
2D
- 200d
- Anpassungsschaltung
- 84
- zweite Diode
- 85
- Kondensator
- 86, 87
- Spannungsteilerwiderstand
- 501
- Eingang (Auswertungseinheit)
-
3A-3B
- Umin(DC)
- negative Spannungsspitze (bei DC-Eingangsspannung)
- Umin(AC)
- negative Spannungsspitze (bei AC-Eingangsspannung)
- U
- Spulenspannung
-
4A-4B
- 43
- negative Spannungsspitze
- 44
- Umhüllende
