DE19751956A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Wechselhochspannung in eine Gleichniederspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung einer Wechselhochspannung in eine Gleichniederspannung, wonach die Wechselhochspannung zunächst in eine pulsierende Gleich­ hochspannung umgewandelt wird, wonach darauffolgend die Gleichhochspannung in eine Hochfrequenzhochspannung über­ führt, dann in eine Hochfrequenzniederspannung transformiert und abschließend zu einer Gleichniederspannung gleich­ gerichtet wird.

Ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art ist durch die Praxis bekannt geworden. Bei der Wechselhochspannung handelt es sich im allgemeinen um die 230 V-Netzversorgungsspannung. Selbstverständlich werden auch Netzversorgungsspannungen von 110 V durch die Maßnahmen der Erfindung erfaßt. Auch weitaus größere Spannungen sind zu berücksichtigen. Bei der Gleich­ niederspannung handelt es sich hauptsächlich um eine 12 V- oder 24 V-Gleichspannung, wie sie üblicherweise zur Versorgung von elektronischen Baugruppen oder auch sogenannten Niedervolt-Halogenlampen eingesetzt wird. Selbstverständlich lassen sich auch andere Gleichspannungen im Rahmen der Erfindung erzeugen. Die Hochfrequenzhoch­ spannung arbeitet üblicherweise im Bereich oberhalb von 20 kHz, schon um akustisch hörbare Nebengeräusche zu unterdrücken. Frequenzen von 30 kHz oder mehr werden in der Regel nicht erzeugt, weil dies mit erhöhtem technischen Aufwand verbunden ist.

Jedenfalls werden nach dem Stand der Technik zur Realisierung des eingangs beschriebenen Verfahrens regelmäßig Transforma­ toren oder elektronische Hochfrequenzwandler, sogenannte Schaltnetzteile, eingesetzt. Beide Vorgehensweisen sind mit Nachteilen verbunden.

So sind Transformatoren, welche die Wechselhochspannung direkt in eine Wechselniederspannung umwandeln, üblicherweise schwer und neigen zu Brummgeräuschen. Dies läßt sich auf das anliegende Wechselfeld zurückführen, welches im allgemeinen mit 50 Hz (oder auch 60 Hz) arbeitet. Außerdem wird das Versorgungsnetz, d. h. die primärseitige Spannungseinspeisung, induktiv belastet, nämlich durch die Primärspule(n) des Transformators. Im einzelnen besteht die Gefahr, daß das in der Spule vorhandene Magnetfeld eine Selbstinduktionsspannung erzeugt, wenn es beim Abschalten schnell zusammenbricht. Das gleiche Phänomen tritt beim Einschalten auf. Jedenfalls besteht die Gefahr, daß insgesamt ein hoher Strom aufgenommen oder erzeugt wird, welcher vorgeschaltete Sicherungen oder Sicherungsautomaten zur Auslösung bringt. Dies läßt sich im Kern auf Selbstinduktionseffekte in der Primärspule zurückführen.

Die darüber hinaus bekannten Hochfrequenzwandler vermeiden die vorbeschriebenen Nachteile der Transformatortechnik, allerdings sind sie - was die Beherrschung von Über­ spannungsspitzen angeht - verbesserungsbedürftig. Auch werden besondere Anforderungen an den zeitlichen Verlauf der Wechselhochspannung bzw. Netzspannung gestellt. Dies läßt sich darauf zurückführen, daß zur Erzeugung der Hoch­ frequenzhochspannung üblicherweise schnell schaltende Feld­ effekttransistoren eingesetzt werden, die leistungslos steuerbar sind. Dieses bedingt jedoch, daß sie äußerst empfindlich sind, was Überspannungen angeht und hierdurch zerstört werden können.

Neben den vorerwähnten Nachteilen der bekannten Verfahren ergeben sich Anforderungen an die Umwandlung einer Wechsel­ hochspannung in eine Gleichniederspannung für den Fall, daß mit der Gleichniederspannung Niedervolt-Halogenstrahler od. dgl. betrieben werden sollen, also für den Sektor der Niedervolt-Beleuchtungstechnik. So soll insbesondere ein Dimmen, d. h. eine Phasenanschnittsteuerung, ebenso wie eine aktive Überwachung des Lastzustandes bei hohen Leistungen möglich sein. - Hier setzt die Erfindung ein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß induktive Belastungen des Versorgungsnetzes ebenso wie eine Schädigung der Elektronik durch Überspannungsspitzen vermieden werden, und zwar bei gleichzeitig kompaktem und preisgünstigem Aufbau. Abgesehen davon sollen alle gesetzlichen Vorschriften, insbesondere was die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) angeht eingehalten werden. Darüber hinaus soll eine zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens besonders geeignete Schaltungsanordnung angegeben werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung bei einem gattungsgemäßen Verfahren zur Umwandlung einer Wechselhoch­ spannung in eine Gleichniederspannung vor, daß die pulsierende Gleichhochspannung - unter Verzicht auf eine Glättung - hinsichtlich eventueller Hochfrequenzanteile gesiebt und unmittelbar in die Hochfrequenzhochspannung umgewandelt wird. Dabei wird vorzugsweise zur Siebung der Hochfrequenzanteile in Abhängigkeit von deren Frequenz ein Kondensator mit einer Kapazität von 100 nF bis 10 µF, vorzugsweise 1 µF, eingesetzt. - Durch diese Maßnahmen der Erfindung wird zunächst einmal die induktive Belastung des Versorgungsnetzes bzw. der umzuwandelnden Wechselhochspannung auf ein Minimum reduziert. Dies läßt sich schlicht und einfach darauf zurückführen, daß nicht die Wechselhoch­ spannung in eine Wechselniederspannung transformiert wird, sondern vielmehr die aus der Wechselhochspannung gebildete pulsierende Gleichhochspannung gesiebt und in die Hoch­ frequenzhochspannung überführt wird, welche im Anschluß hieran in die Hochfrequenzniederspannung übertragen wird. Insofern können vergleichbare Vorteile wie bei Hochfrequenz­ wandlern bzw. Schaltnetzteilen geltend gemacht werden. Selbstinduktionseffekte werden zuverlässig insbesondere durch die Hochfrequenzsiebung und den zwischen Wechselhochspannung und pulsierender Gleichhochspannung bzw. Hochfrequenzhoch­ spannung befindlichen Gleichrichter unterdrückt. Selbstver­ ständlich liegt es im Rahmen der Erfindung, die Gleichhoch­ spannung vor der Umwandlung in die Hochfrequenzhochspannung zusätzlich zu transformieren, wenn dies erforderlich sein sollte.

Hinzu kommt, daß auf die sonst übliche Glättung der Halbwellen nach erfolgter (Primär-)Gleichrichtung der Wechselhochspannung bzw. Netzspannung durch einen an dieser Stelle regelmäßig eingesetzten Brücken-Gleichrichter verzichtet wird. Diese Glättung der Halbwellen erfolgt nach dem Stand der Technik üblicherweise mittels eines großzügig dimensionierten Kondensators, welcher zu sehr kleinen Strom­ flußwinkeln für die Ladeimpulse korrespondiert. D.h., daß die Stromaufnahme des Glättungskondensators nach dem Stand der Technik lediglich innerhalb zeitlich eng begrenzter Intervalle erfolgt, mithin kleine Stromflußwinkel für die Stromaufnahme verwirklicht sind. Dies führt bei der bekannten Vorgehensweise dazu, daß der Eingangsstrom auf der Versorgungsleitung starke Abweichungen von der Sinusform aufweist, welche mit hohem Aufwand beseitigt werden müssen, damit auf der Versorgungsseite (Netzspannung) keine unzulässigen Oberwellen der Netzfrequenz entstehen. Auf derartige Vorsichtsmaßnahmen kann erfindungsgemäß verzichtet werden, da - wie bereits dargelegt - eine Glättung der Halbwellen gerade nicht erfolgt, vielmehr der Stromflußwinkel für den Eingangsstrom gleichsam die gesamte Halbwellenbreite überstreicht. Jedenfalls sind keine Negativeffekte des Stromverlaufs der Versorgungsspannung bzw. der umzuwandelnden Wechselhochspannung zu befürchten.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mit selbständiger Bedeutung ist ferner vorgesehen, daß zur Vermeidung von Überspannungsspitzen bei der Umwandlung der Gleichhochspannung in die Hochfrequenzhochspannung in einem Hochfrequenzwandler diese Überspannungsspitzen erfaßt werden, und zwar durch Kurzschließen der Ansteuerung eingangsseitig des Hochfrequenzwandlers vorgesehener Leistungshalbleiter und damit deren Überführen in den nichtleitenden Zustand, wodurch die Umwandlung für die Dauer der Überspannungsspitzen beendet wird, und daß die Überspannungsspitzen mittels eines in eine Versorgungsleitung für den Hochfrequenzwandler nach der Überspannungserfassung eingebauten Induktivwiderstandes zeit­ lich verzögert werden. Zur Überspannungserfassung werden im allgemeinen ein durch die Überspannung in den niederohmigen (leitenden) Zustand überführbarer Triggerbaustein, z. B. DIAC, in Verbindung mit einem hiervon steuerbaren Gleichrichter, z. B. TRIAC, eingesetzt. Zur Verzögerung der Überspannungs­ spitze bzw. der Überspannungsspitzen dient eine in die Versorgungsleitung eingeschleifte Drossel.

Durch diese weiteren Maßnahmen der Erfindung wird ein zuverlässiger Schutz gegen Überspannungsspitzen erreicht. Hierbei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß die in Hochfrequenzwandlern typischerweise eingesetzten Leistungs­ transistoren aus Kostengründen und im Hinblick auf die abzuführende Wärmeverlustleistung im allgemeinen mit einer für den Betrieb zwar ausreichenden Spannungsfestigkeit versehen sind, allerdings Überspannungen nur dann problemlos verkraften, wenn sie sich im nichtleitenden Zustand befinden. Dementsprechend ist eine frühzeitige Erkennung einer Überspannungsspitze mit schneller Abschaltung der Leistungs­ transistoren erforderlich. Eine gleichzeitig rechtzeitige Abschaltung des Hochfrequenzwandlers wie von nachfolgenden Bauteilen, welche direkt von der erzeugten Hochfrequenz­ hochspannung oder der daraus resultierenden Gleich­ niederspannung gespeist werden, ist nach dem Stand der Technik nicht möglich. Erfindungsgemaß bewirkt die einfache und preiswerte, in die Versorgungsleitung eingeschleifte, Drossel eine entsprechende Verzögerung der Überspannungswel­ le, wodurch eine Abschaltung eventuell angeschlossener Leistungsbauteile rechtzeitig erfolgen kann d. h., die Erfin­ dung macht sich zunutze, daß die als Induktivwiderstand aus geführte Drossel zu einem verzögerten Stromanstieg führt und dementsprechend durch die Abschaltung der eingangsseitig der Umwandlung vorgesehenen Leistungshalbleiter nachfolgend angeschlossene Bauteile von der Überspannung nicht (mehr) er­ faßt werden. Darüber hinaus bewirkt die eingesetzte Drossel sowohl eine zusätzliche Siebung hochfrequenter Anteile bei der Umwandlung der Gleichhochspannung in die Hochfrequenz­ hochspannung als auch die bereits angesprochene geringe Ver­ zögerung der Überspannungswelle, wodurch letztlich die be­ schriebene Abschaltung nachgeschalteter Leistungsbauteile er­ folgt. Selbstverständlich wird diese Abschaltung nur für die Dauer des bzw. der Überspannungsspitzen bzw. -impulse auf­ rechterhalten, so daß Schwankungen der erzeugten Gleichnie­ derspannung kaum zu befürchten sind. Im übrigen lassen sich derartige Schwankungen durch ausgangsseitig vorgesehene Kon­ densatoren ausgleichen. Sofern die Abschaltzeiten kurz genug sind, kann auch auf entsprechende ausgangsseitige Glättungs­ maßnahmen verzichtet werden, beispielsweise bei der Span­ nungsversorgung von Niedervolt-Beleuchtungskörper(n). Denn solange der Zusammenbruch der Gleichniederspannung am Ausgang kurz genug ist (bis zu einigen msec.) werden derartige Schwankungen vom Auge eines Benutzers nicht registriert.

Im einzelnen wird die vorbeschriebene Schutzbeschaltung gegen Überspannungsimpulse bzw. Überspannungsspitzen so realisiert, daß der Triggerbaustein bzw. der DIAC in den niederohmigen, d. h. leitenden, Zustand überführt wird, gleichsam "gezündet" wird. - Bekanntermaßen handelt es sich bei einem DIAC um eine Triggerdiode, welche in den niederohmigen Zustand umschaltet, sobald die angelegte Spannung den Wert einer bestimmten Durchbruchspannung überschreitet. Dabei wird der DIAC so vorgespannt, daß diese Vorspannung geringfügig unter seiner Zündschwelle liegt. Dementsprechend erfolgt bei normalem Betrieb keine Beeinflussung. Wird die Zündspannung des DIACs (durch einen Überspannungsimpuls) überschritten, so wird dieser gezündet, geht folglich in den leitenden Zustand über. Da der TRIAC von dem DIAC gesteuert wird, wird auch der TRIAC gezündet, welcher die Ansteuerung des angeschlossenen Leistungshalbleiters kurzschließt und diesen somit in den nichtleitenden Zustand versetzt. Jedenfalls werden der oder die eingangsseitig der Umwandlung bzw. des Hochfrequenz­ wandlers vorgesehenen Leistungshalbleiter gesperrt, so daß die Umwandlung für die Dauer der Überspannungsspitze nicht mehr stattfindet. Durch die bereits beschriebene Drossel wird eine Verzögerung der Überspannungshalbwelle erreicht, so daß nachfolgende Bauteile von der "Sperrung" des eingangsseitigen Leistungshalbleiters "profitieren", folglich ebenfalls sperren und somit von der verzögerten Überspannungshalbwelle nicht erfaßt werden.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung mit selbständiger Bedeutung ist ferner vorgesehen, daß zur Gleichrichtung und Umwandlung der Hochfrequenzniederspannung sekundärseitig eines Übertragers parallel arbeitende Wicklungen, z. B. eine durch zwei geteilte Wicklungen gebildete Sekundärwicklung, mit jeweiligen Gleichrichtern, z. B. Doppel-Dioden, vorgesehen sind. Hierbei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß bei auf die Sekundärwicklung übertragenen hohen Leistungen zwei Probleme auftreten. Zum einen muß die Sekundärwicklung einen großen Leitungsquerschnitt aufweisen und zum anderen müssen stromfeste und damit teure Gleichrichter eingesetzt werden. Dies wird erfindungsgemäß umgangen. Beide Vorgaben lassen sich unter Verwirklichung eines kompakten und gleichzeitig preisgünstigen Aufbaus dergestalt realisieren, daß die Sekundärwicklung gleichsam durch zwei geteilte Wicklungen gebildet ist, wovon jede nur den halben Leitungs­ querschnitt einer einfachen Wicklung aufweisen muß. Selbst­ verständlich läßt sich an dieser Stelle auch eine aus drei, vier oder mehr geteilten Wicklungen gebildete Sekundär­ wicklung verwirklichen. Jedenfalls haben die erfindungs­ gemäßen Maßnahmen zur Folge, daß für die nachfolgende Gleich­ richtung auf zwei Doppel-Dioden der halben Stromfestigkeit zurückgegriffen werden kann, welche erheblich preiswerter sind. Außerdem erfolgt eine gleichmäßigere Verteilung der nicht zu vermeidenden Verlustleistung. Im übrigen besteht die Möglichkeit, als Gleichrichter sogenannte Schottkydioden einzusetzen, welche (bekanntermaßen einen Sperrschichtzonen­ folge/Metall-Halbleiter aufweisen und) extrem kurze Schalt­ zeiten besitzen. Diese Schottkydioden lassen sich thermisch eng koppeln, so daß eine selbstregulierende Verteilung der Wärmeverluste erfolgt.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung, dem selbständige Bedeutung zukommt, ist vorgesehen, daß die bei der (Sekundär-)Gleichrichtung bzw. Umwandlung der Hochfrequenz­ niederspannung entstehenden Überspannungsspitzen nach deren Gleichrichtung zur anderweitigen Spannungsversorgung einge­ setzt werden. Dabei wird regelmäßig so vorgegangen, daß die Überspannungsspitzen mittels eines Frequenzfilters primär­ seitig des Übertragers herausgefiltert und mit Hilfe eines Einweg- oder Zweiweg-Gleichrichters unter Erzeugung einer Zusatzversorgungsspannung gleichgerichtet werden. Hierdurch wird der Aufbau insgesamt noch kompakter, werden darüber hinaus weitere Preisvorteile erzielt. Dabei geht die Erfindung von der weiteren Erkenntnis aus, daß bei ,einem hauptsächlich eingesetzten Halb- oder Vollbrückenwandler zur Gleichrichtung der Hochfrequenzniederspannung in die Gleich­ niederspannung an den jeweiligen Umschaltflanken Über­ spannungsspitzen entstehen, die regelmäßig bedämpft werden müssen. Dies schon deshalb, um die sekundärseitige Gleich­ richtung vor diesen Überspannungsspitzen zu schützen. Der­ artiges geschieht üblicherweise beim Stand der Technik mittels eines entsprechend dimensionierten RC-Gliedes. Dieses wandelt letztlich die solchermaßen bedämpften Über­ spannungsspitzen in Wärme um. Eine Nutzung erfolgt nicht.

Nach der Erfindung werden die Überspannungsspitzen jedoch primärseitig des Übertragers mittels eines Frequenzfilters herausgefiltert und mit Hilfe eines Gleichrichters unter Erzeugung der Zusatzversorgungsspannung gleichgerichtet. Dabei ist der Frequenzfilter durch ein übliches RC-Glied realisiert, welches für die eigentliche Schaltfrequenz, d. h. die zu transformierende Hochfrequenzhochspannung, eine hohe Impedanz darstellt und für hochfrequente Anteile eine niedrige. Jedenfalls werden größtenteils hochfrequente Anteile durchgelassen und mit Hilfe von Dioden als übliche Einweg- oder Zweiweg-Gleichrichter gleichgerichtet. Insgesamt steht primärseitig des Übertragers zur Transformation der Hochfrequenzhochspannung in die Hochfrequenzniederspannung eine Zusatzversorgungsspannung zur Verfügung, welche für den Betrieb weiterer Teile einer Schaltung herangezogen werden kann. Folglich wird sonst üblicherweise in Wärme umgewandelte elektrische Leistung zur weiteren Spannungsversorgung einge­ setzt, was insgesamt preisgünstig ist und den Aufbau äußerst kompakt macht.

Schließlich ist nach einem weiteren selbständigen Vorschlag der Erfindung vorgesehen, daß Eingangsgrößen des Übertragers wie der Primärstrom und/oder die Primärspannung und ggf. Ausgangsgrößen wie die Sekundärspannung und/oder der Sekundärstrom laufend überwacht und hieraus eine Primär- und ggf. eine Sekundärleistungsaufnahme ermittelt werden, wobei zumindest die Primärleistung mit einer vorgegebenen Solleistung verglichen wird und bei Abweichungen außerhalb einer vorgebenen Schwankungsbreite eine Abschaltung und/oder Meldung erfolgt. Hierdurch läßt sich insgesamt eine Über­ wachung der relevanten Eingangsgrößen bei dem erfindungs­ gemäßen Verfahren realisieren. Diese Überwachung wird im allgemeinen mittels eines Mikrokontrollers durchgeführt. Dabei erfolgt hauptsächlich eine Überwachung der auf­ genommenen (Primär-)Leistung, wodurch eine wesentlich zuverlässigere Funktionsweise erreicht wird. Dies beruht auf der Tatsache, daß bei einer üblicherweise ausschließlich erfolgenden primärseitigen Stromüberwachung eine durch den Anwender nicht bewußt herbeigeführte Laständerung eine Abschaltung des Transformators nach sich ziehen kann.

Jedenfalls wurde bisher als einzige Ist-Größe der Primärstrom zur Lastüberwachung herangezogen, so daß beispielsweise Netz­ spannungsschwankungen kaum erfaßt wurden und zu fehlerhafter Funktion bisheriger Einrichtungen bzw. Funktionsprinzipien führten.

Demgegenüber ermöglicht die erfindungsgemäße Vorgehensweise die Überwachung des Primärstromes, der Primärspannung und ggf. der Sekundärspannung (und des Sekundärstromes) als Ist-Größen. Hieraus läßt sich unschwer die Primärleistungs­ aufnahme und ggf. die Sekundärleistungsaufnahme ermitteln. Jedenfalls werden primärseitige Spannungs- und Strom­ änderungen mit in die Beurteilung des Lastzustandes einbezogen. Durch den Anwender unbewußt herbeigeführte Laständerungen führen nicht mehr automatisch zu einer Abschaltung des Transformators bzw. einer entsprechenden Meldung. Dies gilt auch für den Fall, daß durch einen vorgeschalteten Dimmer zur Steuerung der Ausgangsspannung derartige Laständerungen hervorgerufen werden. Jedenfalls ist insgesamt ein enormer Sicherheitsgewinn zu verzeichnen, da der tatsächliche Funktionszustand des Transformators anhand der primärseitig aufgenommenen und/oder sekundärseitig abgegebenen Leistung ermittelt wird. Die Erfassung der Ist-Größen Primärstrom, Primärspannung, Sekundärspannung, Sekundärstrom erfolgt üblicherweise über Analog/Digital­ wandler, wobei deren Ausgänge direkt in den Mikrokontroller eingespeist werden. Dieser verrechnet die Eingangsgrößen zu einer Eingangs- und/oder Ausgangsleistung, welche jeweils mit vorgegebenen Solleistungen verglichen werden. Sofern eine definierte maximale Abweichung überschritten wird, d. h. die Abweichungen außerhalb einer vorgegebenen Schwankungsbreite liegen, erfolgt üblicherweise eine Abschaltung des Systems und/oder eine Meldung an den Anwender. Selbstverständlich ist es möglich, die Abweichungen zusätzlich zeitlich (bei­ spielsweise durch Differenzieren) auszuwerten und den Zeitverlauf mit in die Bewertung einzubringen.

Hierbei besteht die zusätzliche Option, die vorgenannte Baugruppe, d. h. die erforderlichen Anlog/Digitalwandler in den Transformator zu integrieren. Folglich läßt sich auf einfache, kompakte und preiswerte Weise eine direkte Kontrolle des Transformators und ggf. angeschlossener Geräte wie Dimmer, Lastwächter usw. erreichen, und zwar mit Hilfe eines einzigen Gerätes.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Wechselhochspannung in eine Gleich­ niederspannung, welche sich insbesondere zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens eignet. Vorteilhafte Ausgestal­ tungen dieser Schaltungsanordnung sind in den Patentan­ sprüchen 11 bis 17 beschrieben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und hier den Primär-Gleichrichter,

Fig. 2 zeigt die Schaltungsanordnung im Anschluß an den Primär-Gleichrichter, im einzelnen die Über­ spannungserfassung,

Fig. 3 stellt die Sekundär-Gleichrichtung dar mit dem dortigen Sekundär-Gleichrichter,

Fig. 4 befaßt sich mit der Erzeugung der Zusatzver­ sorgungsspannung primärseitig des Übertragers für die Sekundär-Gleichrichtung,

Fig. 5 zeigt eine Prinzipskizze des Mikrokontrollers zur Auswertung der Eingangsgrößen des Übertragers,

Fig. 6 stellt die vorerwähnten Bestandteile "Primär-Gleichrichtung" nach Fig. 1, "Überspannungserfassung" nach Fig. 2 und "Sekundär-Gleichrichtung" nach Fig. 3 im Zusammenhang anhand eines Schaltungsplanes für ein Schaltnetzteil dar und

Fig. 7 zeigt ebenfalls ein Schaltnetzteil und hier die Zusatzspannungsversorgung nach Fig. 4 im Zusammenhang; in den Fig. 6 und 7 sind die jeweils zuvor dargestellten Einzelbestandteile durch Kästchen mit einem Hinweis auf die zugehörige Figur gekennzeichnet.

In den Figuren ist eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Wechselhochspannung in eine Gleichniederspannung gezeigt. Die Wechselhochspannung ist eingangsseitig der Fig. 1 und 6 durch ein entsprechendes Symbol kenntlich gemacht. Nach Passieren eines Netzfilters 1 wird die Wechselhoch­ spannung in einem Primär-Gleichrichter 2 in eine pulsierende Gleichhochspannung umgewandelt. Dieser Primär-Gleichrichter 2 besteht nach dem Ausführungsbeispiel aus vier Dioden D₁, D₂, D₃ und D₄, welche insgesamt zu einem Brücken-Gleichrichter verschaltet sind. Ausgangsseitig dieses Primär-Gleichrichters 2 steht eine mit 100 Hz pulsierende Gleichhochspannung zur Verfügung, die mittels einer Hochfrequenz-Siebeinrichtung c₁ - im Ausführungsbeispiel eines Kondensators c₁ - lediglich hinsichtlich eventueller Hochfrequenzanteile gesiebt wird. Die vorgenannte Frequenz von 100 Hz stellt sich natürlich nur bei einer Netzfrequenz von 50 Hz ein. Jedenfalls pulsiert die Gleichhochspannung vorliegend mit der doppelten Frequenz wie die eingangsseitige Wechselhochspannung.

Nach dem Sieben der pulsierenden Gleichhochspannung wird diese in einem angeschlossenen Hochfrequenzwandler 3 in eine Hochfrequenzhochspannung überführt. Dies wird im einzelnen weiter unten beschrieben. Bei der Hochfrequenz-Siebeinrich­ tung C₁ handelt es sich um einen Kondensator C₁ mit einer Kapazität von 100 nF bis 10 µF, im Ausführungsbeispiel 1 µF. Die Auswahl seiner Kapazität hängt wie üblich von der zu siebenden Frequenz ab.

Ausweislich der Fig. 2 ist im Anschluß an den Netzfilter 1, den Primär-Gleichrichter 2 und den Kondensator C₁ eine Überspannungserfassungseinrichtung 4 angeschlossen. Diese Überspannungserfassungseinrichtung 4 besteht im wesentlichen aus einem durch die Überspannung in den niederohmigen bzw. leitenden Zustand überführbaren Triggerbaustein, im Ausführungsbeispiel einem DIAC DI sowie einem hiervon steuerbaren Gleichrichter, im Ausführungsbeispiel einem TRIAC TRI. Der Triggerbaustein bzw. der TRIAC TRI und der steuerbare Gleichrichter bzw. der DIAC DI sind unter Zwischenschaltung eines Spannungsteilers R₁, R₂ an den Primär-Gleichrichter 2 bzw. den Kondensator C angeschlossen. Der Spannungsteiler aus R₁/R₂ ist so dimensioniert, daß seine Ausgangsspannung bei einem Betrieb an der Obergrenze der Netzversorgungsspannung immer noch geringfügig unter der Zündschwelle des nachfolgenden DIACs DI liegt. Folglich tritt bei normalem Betrieb keine Beeinflussung auf. Wird dagegen die Zündspannung des DIACs DI durch einen Überspannungsimpuls überschritten, so wird der hiervon steuerbare Gleichrichter bzw. der TRIAC TRI gezündet, welcher die Ansteuerung des hieran angeschlossenen Transistors T kurzschließt. Durch diesen Kurzschluß der Ansteuerung des Transistors T bzw. dessen Gate G und Source S wird der Transistor T in den nichtleitenden Zustand versetzt. Dementsprechend werden Überspannungsspitzen bzw. -impulse erfaßt. - Zusätzlich ist mit D die dritte Elektrode (Drain) des Transistors gekennzeichnet.

Ein an den Transistor T angeschlossener Hochfrequenzwandler 5 zur Überführung der pulsierenden Gleichhochspannung in eine Hochfrequenzhochspannung wird durch den sperrenden Transistor T gleichfalls gesperrt bzw. beendet die vorbeschriebene Umwandlung der pulsierenden Gleichhochspannung in die Hochfrequenzhochspannung, und zwar so lange, bis der Transistor T wieder leitend wird, d. h. die Zündspannung für den DIAC DI unterschritten wird. Dies ist der Fall, sobald die Überspannungsspitze bzw. der entsprechende -impuls beendet ist.

Eine Versorgungsleitung 6 für den Hochfrequenzwandler 5 weist zur Verzögerung der Überspannungsspitze einen eingeschleiften Induktivwiderstand L₁, im Ausführungsbeispiel eine Drossel L₁ auf. Dieser Induktivwiderstand bzw. die Drossel L₁ ist in Stromlaufrichtung hinter der Überspannungserfassungseinrich­ tung 4 angeordnet. Jedenfalls bewirkt die Drossel L₁, daß die über die Versorgungsleitung 6 am Hochfrequenzwandler 5 anliegende Spannung zeitlich verzögert wird, folglich die Überspannungswelle den Hochfrequenzwandler 5 erst erreicht, wenn seine Abschaltung durch den gesperrten Transistor T bereits erfolgt ist. Dementsprechend wird eine Beeinflussung oder sogar Zerstörung sowohl des Transistors T als auch eventueller Bauteile im Hochfrequenzwandler 5 zuverlässig vermieden. Dies gilt natürlich auch für nachfolgende Baugruppen.

Entsprechend Fig. 3 weist der Hochfrequenzwandler 5 einen Übertrager 7 zur Transformation der Hochfrequenzhochspannung in eine Hochfrequenzniederspannung auf. Zusätzlich findet sich ein Sekundär-Gleichrichter 8 zur Gleichrichtung der Hochfrequenzniederspannung in die gewünschte Gleichnieder­ spannung, welche zur Speisung eines angeschlossenen Ver­ brauchers 9 dient. Der vorerwähnte Übertrager 7 besitzt zur Umwandlung der Hochfrequenzhochspannung (und Gleichrichtung der Hochfrequenzniederspannung) eine geteilte Sekundär­ wicklung 10, im Ausführungsbeispiel eine zweigeteilte Sekundärwicklung 10. Zusätzlich finden sich Dioden D₅ bis D₈ zur Bildung des Sekundär-Gleichrichters 8. Die vorerwähnten Dioden D₅ bis D₈ sind jeweils als Doppel-Dioden ausgeführt und an jeweils einen Teil der zweigeteilten Sekundärwicklung 10 angeschlossen. Auf diese Weise kann gegenüber einer ungeteilten Sekundärwicklung mit halbem Leitungsquerschnitt gearbeitet werden und die nachfolgende Gleichrichtung im Sekundär-Gleichrichter 8 durch zwei Doppel-Dioden der halben Stromfestigkeit erfolgen. Dabei bilden jeweils die Dioden D₅ und D₆ sowie D₇ und D₈ ein Doppel-Diodenpaar. Ein weiterer Induktivwiderstand L₂ sorgt für eine Siebung hochfrequenter Anteile in Verbindung mit den Kondensatoren C₂ und C₃. Dies ist insofern von Bedeutung, als besonders im Bereich der Beleuchtungstechnik eine größtenteils hochfrequenzfreie Ausgangsspannung bzw. Gleichniederspannung zur Versorgung des entsprechenden Verbrauchers 9 erforderlich ist.

Die Fig. 4 zeigt im Detail eine Zusatzspannungsversorgung 11. Diese ist primärseitig des vorbehandelten Übertragers 7 vorgesehen, der in dieser Figur vereinfacht dargestellt ist. Hier sorgt ein RC-Glied als Frequenzfilter (gebildet aus den Bestandteilen R₄ und C₄) dafür, daß dieses RC-Glied lediglich hochfrequente Anteile passieren, während die zu transformierende Hochfrequenzhochspannung gesperrt wird. Jedenfalls werden die hochfrequenten (Überspannungs-)Anteile in dem nachfolgenden Gleichrichter aus den Dioden D₉ und D₁₀ gleichgerichtet und stehen für einen weiteren Verbraucher 12 als Zusatzversorgungsspannung zur Verfügung. Vorliegend ist eine einfache Einweg-Gleichrichtung verwirklicht. Wenn man so will, stellt der aus den Dioden D₉ und D₁₀ gebildete Gleichrichter eine Art Tertiär-Gleichrichter neben dem Primär-Gleichrichter 2 (D₁ bis D₄ gemäß Fig. 1) und dem Sekundär-Gleichrichter 8 (D₅ bis D₈ gemäß Fig. 3) dar. - Ein Kondensator C₅ dient zur Glättung der dem Verbraucher 12 zugeführten Zusatzspannung bzw. Zusatzversorgungsspannung.

Endlich zeigt die Fig. 5 die Überwachung des Übertragers 7 mittels einer Überwachungseinrichtung 13. Diese Überwachungs­ einrichtung 13 besteht in ihrem grundsätzlichen Aufbau aus AD-Wandlern 14 zur Ermittlung des Primärstroms I_P, der Primärspannung U_P und ggf. der Sekundärspannung U_S und/oder des Sekundärstromes I_S als Eingangs- und Ausgangsgrößen des Übertragers 7. Zusätzlich ist ein Mikrokontroller 15 vor­ gesehen, welcher die vorgenannten Eingangs- und Ausgangs­ größen zur Ermittlung einer Primär- und ggf. Sekundär­ leistungsaufnahme auswertet, wobei die vorgenannten Ist-Größen in einem Regler 16 mit entsprechenden Soll-Werten verglichen werden. Je nach Abweichungen der Primär- und/oder Sekundärleistung von einer jeweils vorgegebenen Solleistung bzw. für den Fall, daß die vorgenannten Abweichungen außerhalb einer definierten Schwankungsbreite liegen, erfolgt eine Abschaltung der genannten Schaltungsanordnung und/oder eine Meldung für den Anwender. Die vorerwähnten Bauteile 14 bis 16 können in den Transformator 7 integriert werden, so daß ein elektronischer Transformator zur Verfügung steht, welcher die vorbeschriebenen Eingangsgrößen entsprechend auswerten kann.

Die Fig. 6 und 7 zeigen schließlich die Einbindung der vorbehandelten Details jeweils in ein Schaltungsnetzteil bzw. eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung der eingangsseitigen Wechselhochspannung in die ausgangsseitige Gleichnieder­ spannung.

Claims (17)

1. Verfahren zur Umwandlung einer Wechselhochspannung in eine Gleichniederspannung, wonach die Wechselhochspannung zunächst in eine pulsierende Gleichhochspannung umgewandelt wird, wonach darauffolgend die Gleichhochspannung in eine Hochfrequenzhochspannung überführt, dann in eine Hochfrequenzniederspannung transformiert und abschließend zu einer Gleichniederspannung gleichgerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die pulsierende Gleichhochspannung - unter Verzicht auf eine Glättung - gesiebt und unmittelbar in die Hochfrequenz­ hochspannung umgewandelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Siebung von Hochfrequenzanteilen in Abhängigkeit von deren Frequenz ein Kondensator (C₁) mit einer Kapazität von 100 nF bis 10 µF, vorzugsweise 1 µF, eingesetzt wird.

3. Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, dadurch gekennzeichnet, daß Überspannungsspitzen erfaßt werden, und daß diese Überspannungsspitzen mittels eines in eine Versorgungsleitung (6) nach der Überspannungserfassung eingebauten Induktivwiderstandes (L₁) zeitlich verzögert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überspannungserfassung ein durch die Überspannung in den niederohmingen Zustand überführbarer Triggerbaustein, z. B. DIAC (DI), in Verbindung mit einem hiervon steuerbaren Gleichrichter, z. B. TRIAC (TRI), eingesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verzögerung der Überspannungsspitzen eine in die Versorgungsleitung eingeschleifte Drossel (L₁) vorgesehen ist.

6. Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gleichrichtung und Umwandlung der Hochfrequenzniederspannung sekundärseitig eines Übertrages (7) parallel arbeitende Wicklungen, z. B. eine durch zweigeteilte Wicklungen gebildete Sekundärwicklung (10), mit jeweiligen Gleichrichtern (8), z. B. Doppel-Dioden, vorgesehen sind.

7. Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Gleichrichtung und/oder Umwandlung der Hochfrequenzniederspannung entstehenden Überspannungsspitzen nach deren Gleichrichtung zur anderweitigen Spannungsversorgung eingesetzt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Überspannungsspitzen mittels eines Frequenzfilters (R₄, C₄) primärseitig des Übertragers (7) herausgefiltert und mit Hilfe eines Gleichrichters (D₉, D₁₀) unter Erzeugung einer Zusatzversorgungsspannung gleichgerichtet werden.

9. Verfahren nach dem Obergegriff des Patentanspruches 1, dadurch gekennzeichnet, daß Eingangsgrößen des Übertragers (7) wie der Primärstrom (I_P) und/oder die Primärspannung (U_P) und ggf. Ausgangsgrößen wie die Sekundärspannung (U_S) und/oder der Sekundärstrom (I_S) laufend überwacht und hieraus eine Primär- und ggf. eine Sekundärleistungsaufnahme ermittelt werden, wobei zumindest die Primärleistung mit einer vorgegebenen Solleistung verglichen wird und bei Abweichungen außerhalb einer vorgegebenen Schwankungsbreite eine Abschaltung und/oder Meldung erfolgt.

10. Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Wechselhoch­ spannung in eine Gleichniederspannung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einem Primär-Gleichrichter (2) zur Umwandlung der Wechselhochspannung in eine pulsierende Gleichhochspannung, mit einem Hochfrequenzwandler (5) zur Überführung der pulsierenden Gleichhochspannung in eine Hochfrequenzhoch­ spannung, mit einem Übertrager (7) zur Transformation der Hochfrequenzhochspannung in eine Hochfrequenzniederspannung, und mit einem Sekundär-Gleichrichter (8) zur Gleichrichtung der Hochfrequenzniederspannung in die Gleichniederspannung, dadurch gekennzeichnet, daß der Primär-Gleichrichter (2) unmittelbar - unter Zwischenschaltung lediglich einer Hochfrequenz-Siebeinrichtung (C₁) - an den Hochfrequenz­ wandler (5) angeschlossen ist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenz-Siebeinrichtung (C₁) im wesentlichen aus einem in Abhängigkeit von der zu siebenden Frequenz dimensionierten Kondensator (C₁) mit einer Kapazität von 100 nF bis 10 µF, vorzugsweise 1 µF, besteht.

12. Schaltungsanordnung nach dem Obergriff des Anspruches 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung eine Überspannungserfassungseinrichtung (4) mit im wesentlichen einem durch die Überspannung in den niederohmigen Zustand überführbaren Triggerbaustein, z. B. ein DIAC (DI), in Verbindung mit einem hiervon steuerbaren Gleichrichter, z. B. ein TRIAC (TRI), aufweist, wobei der Triggerbaustein (DI) und der steuerbare Gleichrichter (TRI) unter Zwischenschaltung eines Spannungsteilers (R₁, R₂) an den Primär-Gleichrichter (2) angeschlossen sind.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Versorgungsleitung (6) für den Hochfrequenzwandler (5) zur Verzögerung der Überspannungs­ spitzen einen eingeschleiften Induktivwiderstand, z. B. eine Drossel (L₁), aufweist, wobei der Induktivwiderstand (L₁) in Stromlaufrichtung hinter der Überspannungserfassungsein­ richtung (4) angeordnet ist.

14. Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager (7) zur Umwandlung der Hochfrequenzhochspannung und Gleichrichtung der Hochfrequenzniederspannung eine geteilte Sekundärwicklung (10), z. B. eine zweigeteilte Sekundärwicklung (10), mit jeweiligen Gleichrichtern (D₅ bis D₈), z. B. Doppel-Dioden (D₅ bzw. D₆ und D₇ bzw. D₈) aufweist.

15. Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzfilter (R₄, C₄) primärseitig des Übertragers (7) zur Herausfilterung unerwünschter Überspannungsspitzen vorgesehen ist, wobei an den Frequenzfilter (R₄, C₄) ausgangsseitig ein Einweg-Gleich­ richter (D₉, D₁₀) zur Erzeugung einer Zusatzversorgungs­ spannung angeschlossen ist.

16. Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überwachungseinrichtung (13) mit einem Mikrokontroller (15), einem Regler (16) und mit A/D-Wandlern (14) zur Ermittlung des Primärstroms (I_P), der Primärspannung (U_P) und ggf. der Sekundärspannung (U_S) und/oder Sekundärstroms (I_S) als Eingangs- und Ausgangsgrößen des Übertragers (7) vorgesehen ist.

17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrokontroller (15) die Eingangs- und Ausgangsgrößen zur Ermittlung einer Primär- und ggf. Sekundärleistungsaufnahme erfaßt, wobei zumindest die Primärleistung mit einer vorgegebenen Solleistung verglichen wird und bei Abweichungen außerhalb einer vorgegebenen Schwankungsbreite eine Abschaltung und/oder Meldung erfolgt.