DE20314200U1

DE20314200U1 - Intelligent lighting dimmer circuit responds automatically to identify if load is inductive or capacitive and adjusts control signal frequency

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Publication number: DE20314200U1
Application number: DE20314200U
Authority: DE
Original assignee: SE LIGHTMAN AG SPREITENBACH
Current assignee: SE LIGHTMAN AG SPREITENBACH
Priority date: 2003-09-11
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2003-11-06
Anticipated expiration: 2013-09-12

Abstract

The dimmer unit is coupled to an electrical load [11] that is coupled to the mains supply [12]. The dimmer unit has a regulating stage [16] that is coupled to a power stage [14] connected into the mains circuit. The regulator automatically recognizes if the load is capacitive or inductive. The circuit operates to respond to the phase difference to modify the control frequency input [s(t)].

Description

se Lightmanagement AG, Spreitenbach, Switzerlandse Lightmanagement AG, Spreitenbach, Switzerland

S3201G-DE DeutschlandS3201G-DE Germany

Intelligenter Universal DimmerIntelligent universal dimmer

[001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Dimmer, die zum[001] The present invention relates to dimmers which are used for

Ansteuern von verschiedenen Lasten verwendbar sind.can be used to control different loads.

[002] Es gibt sogenannte Universaldimmer, die man so betreiben kann,[002] There are so-called universal dimmers that can be operated in such a way

dass sie entweder in der Lage sind eine induktive Last oder eine kapazitive Last anzusteuern. Zum Ansteuern induktiver Lasten kommt das Phasenanschnittverfahren zur Anwendung. Beim Phasenanschnitt wird die Last in jeder Halbwelle zu einem bestimmten Zeitpunkt bezüglich des Netzspannungsnulldurchgangs zugeschaltet und beim Stromnulldurchgang des Laststroms abgeschaltet. Das Prinzip des Phasenanschnittverfahrens ist in den Figuren 1 und 2 gezeigt, wobei es sich bei der Last in Fig. 1 um eine rein ohmsche Last handelt. Die Last in Fig. 2 ist eine induktive Last. Bei Phasenanschnitt an einer ohmschen Last (siehe Fig. 1) wird bei 0° (bzw. 180°) ausgeschaltet und bei einem einstellbaren Winkel (Anschnittwinkel oder Zündwinkel) eingeschaltet. Ein Beispiel mit Zündwinkel 90° ist in Fig. 1 gezeigt. Die mittlere Leistung an der Last ändert sich mit dem Zündwinkel.that they are able to control either an inductive load or a capacitive load. The phase control method is used to control inductive loads. With phase control, the load is switched on in each half-wave at a specific time in relation to the mains voltage zero crossing and switched off when the load current passes zero. The principle of the phase control method is shown in Figures 1 and 2, with the load in Fig. 1 being a purely resistive load. The load in Fig. 2 is an inductive load. With phase control on a resistive load (see Fig. 1), the device is switched off at 0° (or 180°) and switched on at an adjustable angle (cutting angle or ignition angle). An example with an ignition angle of 90° is shown in Fig. 1. The average power at the load changes with the ignition angle.

[003] In induktiven Lasten kann der Strom sich nicht sprunghaft ändern.[003] In inductive loads the current cannot change abruptly.

Die Spannung an einer induktiven Last hingegen kann sich sprunghaft ändern. Beim Ausschalten von induktiven Lasten können Überspannungsspitzen entstehen, die man vermeidet indem man die Last beim Nulldurchgang desThe voltage on an inductive load, on the other hand, can change abruptly. When switching off inductive loads, overvoltage peaks can occur, which can be avoided by switching the load off at the zero crossing of the

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Stromes ausschaltet. Eine induktive Last soll also zu einem bestimmten Winkel innerhalb der Netzspannung ausgeschaltet werden, wie in Fig. 2 gezeigt. Induktive Lasten werden also mittels Phasenanschnittverfahren angesteuert, da die induktiven Lasten bei einem beliebigen Phasenwinkel eingeschaltet werden dürfen, aber bei Stromnulldurchgang ausgeschaltet werden müssen. Der Spannungsverlauf eines Phasenanschnitts an einer induktiven Last wird bestimmt durch die Phasenverschiebung zwischen der Spannung und dem Strom an der Last. Solange eine Strom durch die Last fliesst, ist die Spannung über der Last ungleich Null. Der entsprechende Spannungsverlauf ist in Fig. 2 gezeigt, wobei der Phasenanschnitt bei 90° erfolgt. Die induktive Last wird dann beim nächsten Stromnulldurchgang ausgeschaltet. Wegen der Phasenverschiebung zwischen der Netzspannung und dem Strom erfolgt der Stromnulldurchgang nach den Netzspannungsnulldurchgang.current. An inductive load should therefore be switched off at a specific angle within the mains voltage, as shown in Fig. 2. Inductive loads are therefore controlled using the phase control method, since inductive loads can be switched on at any phase angle, but must be switched off when the current passes zero. The voltage curve of a phase control on an inductive load is determined by the phase shift between the voltage and the current at the load. As long as current flows through the load, the voltage across the load is not zero. The corresponding voltage curve is shown in Fig. 2, with the phase control occurring at 90°. The inductive load is then switched off at the next current zero crossing. Because of the phase shift between the mains voltage and the current, the current zero crossing occurs after the mains voltage zero crossing.

[004] Kapazitive Lasten werden hingegen mit dem[004] Capacitive loads, on the other hand, are controlled by the

Phasenabschnittverfahren angesteuert. Beim Phasenabschnitt wird die Last üblicherweise beim Wechselspannungsnulldurchgang eingeschaltet und zu einem bestimmten Zeitpunkt bezüglich des Netzspannungsnulldurchgangs weggeschaltet. Das Prinzip des Phasenabschnittverfahrens ist in den Figuren 3 und 4 gezeigt, wobei es sich bei der Last in Fig. 3 um eine rein ohmsche Last und bei der Last in Fig. 4 um eine kapazitive Last handelt. Bei Phasenabschnitt an einer ohmschen Last (Fig. 3), wird bei 0° (bzw. 180°) eingeschaltet und bei einem einstellbaren Abschnittwinkel zwischen 0° und 180° (bzw. zwischen 180° und 360°) ausgeschaltet. In Fig. 3 ist ein Beispiel gezeigt wo bei 90° respektive 270° ausgeschaltet wird. Die gestrichelte Kurve deutet dabei den Spannungsverlauf der Netzspannung an. Bei dem gezeigten Beispiel ist die ohmsche Last nur während der Hälfte der Netzperiode unter Spannung. Demzufolge ist die mittlere Leistung an der Last nur halb so gross, wie wenn sie dauernd eingeschaltet wäre. Je kleiner der Abschnittwinkel desto kleiner die mittlere Leitung, die der Last zugeführt wird.Phase cutting is used to control the load. With phase cutting, the load is usually switched on when the AC voltage passes zero and switched off at a specific time in relation to the mains voltage zero. The principle of the phase cutting method is shown in Figures 3 and 4, where the load in Figure 3 is a purely resistive load and the load in Figure 4 is a capacitive load. With phase cutting on a resistive load (Figure 3), it is switched on at 0° (or 180°) and switched off at an adjustable cutting angle between 0° and 180° (or between 180° and 360°). Figure 3 shows an example where it is switched off at 90° or 270°. The dashed curve indicates the voltage curve of the mains voltage. In the example shown, the resistive load is only live for half the mains period. As a result, the average power at the load is only half as high as if it were switched on continuously. The smaller the cut-off angle, the smaller the average power supplied to the load.

[005] Bei eine kapazitiven Last kann sich die Spannung nicht sprunghaft[005] With a capacitive load, the voltage cannot change abruptly

ändern, der Strom aber kann einen Sprung zeigen. Will man einen solchen Stromstoss vermeiden, dann muss die Spannung über dem Kondensatorchange, but the current can jump. If you want to avoid such a current surge, the voltage across the capacitor must

H2406G-DE/cheH2406G-DE/che

allmählich von Null Volt hochgefahren werden. Bei kapazitiven Lasten ist der Phasenabschnitt das geeignete Verfahren, wie bereits erwähnt. Die Last wird immer dann eingeschaltet, wenn die Spannung am Kondensator gleich ist wie die Netzspannung (AU=O) und es wird bei einem beliebigen Abschnittwinkel ausgeschaltet. In Fig. 4 ist der Spannungsverlauf an einer kapazitiven Last bei einem Phasenabschnitt von 45° gezeigt. Nach dem Ausschalten der Last bei springt die Spannung nicht unmittelbar auf Null weil der kapazitive Anteil der Last sich nur allmählich auf Null entlädt. Der Stromnulldurchgang geschieht vor dem Netzspannungsnulldurchgang, da der Strom der Spannung vorauseilt.gradually ramped up from zero volts. For capacitive loads, phase control is the most suitable method, as already mentioned. The load is always switched on when the voltage on the capacitor is the same as the mains voltage (AU=0) and it is switched off at any angle. Fig. 4 shows the voltage curve on a capacitive load with a phase control of 45°. After the load is switched off, the voltage does not jump to zero immediately because the capacitive part of the load only gradually discharges to zero. The current zero crossing occurs before the mains voltage zero crossing because the current leads the voltage.

[006] Bei beiden Verfahren wird die Last synchron zur treibenden[006] In both methods, the load is synchronized with the driving

Wechselspannung (im Allgemeinen handelt es sich dabei um die Netzspannung) mit einem bestimmten Tastverhältnis zu- und weggeschaltet. Das Tastverhältnis bestimmt die mittlere elektrische Leistung, die der Last zugeführt wird. Somit kann also die Leistung gedimmt werden. Typischerweise werden Triacs eingesetzt, die durch ein Steuersignal eingeschaltet werden und selbsttätig ausschalten, sobald der Laststrom eine gewisse Grenze unterschreitet. Diese Grenze wird als Haltestrom bezeichnet. Teilweise stellen sich die Universaldimmer selbstständig auf eine bestimmte Lastart ein, nachdem in einem Lernschritt die Art der Last erfasst wurde.Alternating voltage (generally the mains voltage) is switched on and off with a specific duty cycle. The duty cycle determines the average electrical power that is supplied to the load. This means that the power can be dimmed. Typically, triacs are used that are switched on by a control signal and switch off automatically as soon as the load current falls below a certain limit. This limit is called the holding current. In some cases, the universal dimmers adjust themselves to a specific type of load after the type of load has been detected in a learning step.

[007] Da Triacs nicht in Dimmern eingesetzt werden können, die sowohl[007] Since triacs cannot be used in dimmers that have both

das Anschnittverfahren wie auch das Abschnittverfahren beherrschen (Universaldimmer), werden in derartigen Dimmern Leistungstransistoren eingesetzt. Da diese Transistoren - anders als die Triacs - nicht selbstständig abschalten, wird zum Beispiel eine Sensorik eingesetzt, um die Last im geeigneten Augenblick abzuschalten.Power transistors are used in dimmers that can handle both the leading edge and the trailing edge method (universal dimmers). Since these transistors - unlike triacs - do not switch off automatically, a sensor is used, for example, to switch off the load at the right moment.

[008] Konventionelle Dimmer arbeiten netzsynchron, dass heisst es[008] Conventional dimmers work synchronously with the mains, which means

besteht immer ein fester Bezug zur Phasenlage der Netzwechselspannung.There is always a fixed reference to the phase position of the AC mains voltage.

[009] Gemäss Erfindung wird beim Abschnittverfahren die Last in dem[009] According to the invention, in the section method, the load in the

Augenblick zugeschaltet, wo die Wechselspannung über den Leitungstransistoren Null ist. Für ohmsche Lasten ist dieser Augenblick identisch mit denmoment when the alternating voltage across the line transistors is zero. For resistive loads, this moment is identical to the

H2406G-DE/che ; ·.. · : ·..:.: : '.H2406G-DE/che ; ·.. · : ·..:.: : '.

Netzspannungsnulldurchgang. Bei kapazitiven Lasten hingegen kommt die Phasenverschiebung der Kapazität ins Spiel, weswegen der Spannungsnulldurchgang über den Leistungstransistoren etwas früher statt findet als bei der Netzspannung. Dadurch werden gemäss Erfindung Stromimpulse beim Zuschalten der kapazitiven Last verhindert, was EMV Störungen vermeiden hilft.Mains voltage zero crossing. With capacitive loads, however, the phase shift of the capacitance comes into play, which is why the voltage zero crossing across the power transistors occurs somewhat earlier than with the mains voltage. According to the invention, this prevents current pulses when the capacitive load is switched on, which helps to avoid EMC interference.

[0010] Die Erfindung berücksichtigt die Phasenverschiebung zwischen[0010] The invention takes into account the phase shift between

Strom und Spannung für induktive und kapazitive Lasten automatisch.Current and voltage for inductive and capacitive loads automatically.

[0011] In einer vorzugsweisen Ausführungsform setzt der[0011] In a preferred embodiment, the

erfindungsgemässe Dimmer einen gewünschten Helligkeitspegel automatisch in einen geeigneten Anschnittwinkel oder Abschnittwinkel um, so dass zwischen 0% und 100% des Leistungsbereichs ausgesteuert werden können. Dabei wird sogar die Phasenverschiebung durch induktive oder kapazitive Lastanteile mit einbezogen.The dimmer according to the invention automatically converts a desired brightness level into a suitable leading or trailing angle so that between 0% and 100% of the power range can be controlled. The phase shift caused by inductive or capacitive load components is even taken into account.

[0012] Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass sich stets automatisch ein[0012] It is an advantage of the invention that a

Gleichgewicht auf die Last einstellt. Dabei liegt die Stromflusszeit immer zwischen 0° und 180°.Balance to the load. The current flow time is always between 0° and 180°.

[0013] Mit einer Vorrichtung gemäss Erfindung kann man jegliche Art von[0013] With a device according to the invention, any type of

Lasten dimmen (regeln). Man kann sogar Lasten dimmen (regeln), deren Verhalten nicht bekannt ist, oder deren Lastverhalten sich ändert.Dimming (regulating) loads. You can even dim (regulate) loads whose behavior is unknown or whose load behavior is changing.

[0014] Die Erfindung ist im Folgenden anhand in den Zeichnungen[0014] The invention is described below with reference to the drawings

dargestellter Ausführungsbeispiele ausführlich beschrieben. Es zeigen:The illustrated embodiments are described in detail. They show:

Fig. 1 das Prinzip des Phasenanschnitts bei einer ohmschen Last;Fig. 1 the principle of phase control with a resistive load;

Fig. 2 das Prinzip des Phasenanschnitts bei einer induktiven Last;Fig. 2 the principle of phase control with an inductive load;

Fig. 3 das Prinzip des Phasenabschnitts bei einer ohmschen Last;Fig. 3 the principle of phase control with a resistive load;

Fig. 4 das Prinzip des Phasenabschnitts bei einer kapazitiven Last;Fig. 4 the principle of phase control for a capacitive load;

Fig. 5 das Funktionsprinzip der Erfindung bei einer induktiven Last;Fig. 5 shows the operating principle of the invention with an inductive load;

• ··

H2406G-DE/che *'. *"·\,\ ·\.:.: \ '\ H2406G-DE/che *'. *"\,\ ·\.:.: \ '\

Fig. 6 ein schematisches Blockdiagramm einer ersten Vorrichtung gemässFig. 6 is a schematic block diagram of a first device according to

Erfindung;
Fig. 7 ein schematisches Blockdiagramm einer zweiten Vorrichtung gemässInvention;
Fig. 7 is a schematic block diagram of a second device according to

Erfindung;
Fig. 8 ein schematisches Blockdiagramm des Leistungsteils der zweitenInvention;
Fig. 8 is a schematic block diagram of the power section of the second

Vorrichtung gemäss Erfindung.Device according to the invention.

Detaillierte Beschreibung:Detailed description:

[0015] Im Folgenden wir die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen[0015] In the following, the invention is explained using embodiments

erläutert.explained.

[0016] Gemäss dem Stand der Technik wurde bisher in Dimmern, wie[0016] According to the state of the art, dimmers such as

eingangs erwähnt, der Zeitpunkt des Zu- oder Wegschaltens (sogenannte Zündwinkel bzw. Löschwinkel) der Last im Wesentlichen fest bezüglich des Netzspannungsnulldurchgangs vorgegeben. In Fig. 5 ist das der Zündwinkel <Pschait· Diese Vorgabe des Zündwinkels cpschait hat das Merkmal einer einfachen Steuerung. Es handelt sich nicht um eine Regelung, da es keine Rückkopplung gibt.As mentioned at the beginning, the point in time at which the load is switched on or off (so-called firing angle or extinguishing angle) is essentially fixed in relation to the zero crossing of the mains voltage. In Fig. 5, this is the firing angle <Pschait. This specification of the firing angle cpschait has the characteristics of a simple control. It is not a closed-loop control, since there is no feedback.

[0017] Gemäss Erfindung wird der Zündwinkel cpschait durch einen echten[0017] According to the invention, the ignition angle cpschait is determined by a real

Regelkreis bestimmt. Als Regelgrösse dieses Regelkreises dient beim Anschnittverfahren die Stromflusszeit AT_strom und beim Abschnittverfahren die Strompause AT_pause. Dabei stellt die Periode T_periodedes Steuersignals die Stellgrösse des Regelkreises für Leistungstransistoren dar. Wird nämlich T_periode verkleinert oder vergrössert, so verschiebt sich der Zündwinkel gegenüber der Netzspannung in Fig. 5 nach links oder nach rechts. In der Folge vergössert oder verkleinert sich die Stromflusszeit AT_strom· Die Stromflusszeit AT_strom ihrerseits bestimmt direkt die mittlere Leistung, die der Last zugeführt wird. Bei einer Lampe als Last ist das natürlich unmittelbar die Helligkeit der Lampe.Control loop. The controlled variable of this control loop is the current flow time AT _current in the leading edge method and the current pause AT _pause in the trailing edge method. The period T _period of the control signal represents the manipulated variable of the control loop for power transistors. If T _period is reduced or increased, the ignition angle shifts to the left or right in relation to the mains voltage in Fig. 5. As a result, the current flow time AT _current increases or decreases. The current flow time AT _current in turn directly determines the average power that is supplied to the load. With a lamp as the load, this is of course directly the brightness of the lamp.

[0018] Mit anderen Worten ausgedrückt, wird die Phasenlage des[0018] In other words, the phase position of the

Steuersignals der Leistungstransistoren geregelt, so dass die StromflusszeitControl signal of the power transistors so that the current flow time

H2406G-DE/che ·* .' I \·..\.\ I % H2406G-DE/che ·* .' I \·..\.\ I %

ihrem Sollwert entspricht, was die Helligkeit der Lampe (bzw. die mittlere elektrische Leistung der Last) reguliert.its setpoint, which regulates the brightness of the lamp (or the average electrical power of the load).

[0019] Eine erste Vorrichtung 10 gemäss Erfindung, die zum Ansteuern[0019] A first device 10 according to the invention, which is used to control

einer Last 11 mit einem Wechselstrom dient, ist in Fig. 6 in Form eines einfachen Blockdiagramms gezeigt. Die Vorrichtung 10 weist einen Netzspannungseingang 12 zum Anlegen einer Wechselspannung und einen Ausgang 13 zum Anhängen der Last 11 auf. Der Vorrichtung 10 umfasst einen Leistungsteil 14 mit einem Wechselspannungssteller 15 mit zwei Leistungstransistoren, die im Bereich des Ausgangs 13 angeordnet sind, um eine vorgebbare mittlere Leistung am Ausgang 13 bereitzustellen. Es ist ein Regelkreis 16 vorgesehen, der zum Abgeben eines Steuersignals s(t) dient und mit dem Steuersignal s(t) die Leistungstransistoren des Leistungsteils 14 schaltet. Gemäss Erfindung wird jeweils nur einer der beiden Leistungstransistoren des Leistungsteils 14 eingeschaltet und die Leistungstransistoren schalten die Last 11 mit einem Tastverhältnis so, dass die gewünschte mittlere Leistung in die Last 11 abgegeben wird.a load 11 with an alternating current is shown in Fig. 6 in the form of a simple block diagram. The device 10 has a mains voltage input 12 for applying an alternating voltage and an output 13 for attaching the load 11. The device 10 comprises a power section 14 with an alternating voltage controller 15 with two power transistors which are arranged in the region of the output 13 in order to provide a predeterminable average power at the output 13. A control circuit 16 is provided which serves to output a control signal s(t) and switches the power transistors of the power section 14 with the control signal s(t). According to the invention, only one of the two power transistors of the power section 14 is switched on at a time and the power transistors switch the load 11 with a duty cycle such that the desired average power is delivered to the load 11.

[0020] Der Regelkreis 16 ist so ausgelegt, dass er automatisch erkennt, ob[0020] The control circuit 16 is designed to automatically detect whether

es sich bei der Last 11 um eine kapazitive Last oder eine induktive Last handelt. Je nach dem steuern dann die Leistungstransistoren eine kapazitive Last nach dem Phasenabschnittprinzip und eine induktive Last nach dem Phasenanschnittprinzip.the load 11 is a capacitive load or an inductive load. Depending on this, the power transistors then control a capacitive load according to the trailing edge phase control principle and an inductive load according to the leading edge phase control principle.

[0021] Als Steuersignal s(t) dient ein rechteckförmiges Signal ist, dass[0021] The control signal s(t) is a square-wave signal that

vorzugsweise ein starres rechteckförmiges Signal ist (d.h. 50:50), wie in Fig. 5 gezeigt. Das Steuersignal s(t) ist durch den Regelkreis 16 in Bezug auf die Phase der Wechselspannung am Netzspannungseingang 12 phasenverschiebbar, indem die Frequenz des Steuersignals s(t) geändert wird.is preferably a rigid square-wave signal (i.e. 50:50), as shown in Fig. 5. The control signal s(t) is phase-shiftable by the control circuit 16 with respect to the phase of the alternating voltage at the mains voltage input 12 by changing the frequency of the control signal s(t).

[0022] Durch den durch den Regelkreis 16 wird die Stromflusszeit AT_strom[0022] The current flow time AT _current is determined by the control circuit 16

und damit die mittlere Leistung beeinflusst, wie im Folgenden erläutert wird.and thus affects the average performance, as explained below.

H2406G-DE/cheH2406G-DE/che

[0023] Ein Vorteil dieses neuen und erfinderischen Funktionsprinzips ist in[0023] An advantage of this new and inventive functional principle is in

der folgenden Formel versteckt: AT_strom = cpschait + &phgr;&igr;.· Die Stromflusszeit AT_strom setzt sich zusammen aus dem Zündwinkel cpschaitund der Phasenverschiebung cp_L des Stromes an der Last. Der Regelkreis berücksichtigt gemäss Erfindung automatisch die Phasenverschiebung cp_L. Bei konventionellen Verfahren, die den Zündwinkel (pschait bezüglich des Netzes steuern, ist das nicht der Fall. Dort ergibt sich daraus der Nachteil, dass die Phasenverschiebung cp_L den Aussteuerungsgrad einschränkt. Wenn zum Beispiel die Last ohmsch ist und damit keine Phasenverschiebung aufweist, kann der Zündwinkel zwischen 0° und 180° (für 0 bis 100%) gewählt werden. Ist hingegen z.B. die Phasenverschiebung cp_L = 90°, dann liegt der Aussteuerbereich nunmehr zwischen 90° und 180° (für 0 bis 100%). Um den ganzen Aussteuerbereich optimal nutzen zu können, muss also gemäss Stand der Technik die Phasenverschiebung cp_L entweder im Voraus bekannt sein, bzw. geschätzt werden, oder in einer Kalibrationsphase (Lernphase) ermittelt werden.the following formula: AT _current = cp circuit + φ&igr;. The current flow time _AT current is made up of the ignition angle cp circuit and the phase shift cp _L of the current at the load. According to the invention, the control circuit automatically takes the phase shift cp _L into account. This is not the case with conventional methods that control the ignition angle (p circuit) with respect to the mains. This results in the disadvantage that the phase shift cp _L limits the level of control. If, for example, the load is resistive and therefore has no phase shift, the ignition angle can be selected between 0° and 180° (for 0 to 100%). If, for example, the phase shift cp _L = 90°, then the control range is now between 90° and 180° (for 0 to 100%). In order to be able to use the entire control range optimally, according to the state of the art, the phase shift cp _L must either be known in advance or estimated, or determined in a calibration phase (learning phase).

[0024] Das erfindungsgemässe Verfahren ist diesem Nachteil nicht[0024] The method according to the invention does not overcome this disadvantage

ausgesetzt, da durch die Regelung der Stromflusszeit ÄT_strom der Aussteuerungsgrad unabhängig von der Phasenverschiebung cp_L von 0° bis 180° (für 0 bis 100%) der Leistung eingestellt werden kann. Es sei angemerkt, dass ATstrom und ATpause zwischen 0° bis 180° betragen kann, aber es gilt zu beachten, dass dieser Winkel nicht bezüglich des Netzspannungsnulldurchgangs, sondern bezüglich des Einschaltens (im Fall des Anschnittverfahrens), bzw. bezüglich des Ausschaltens (im Fall des Abschnittverfahrens) gemessen wird. So kann gemäss Erfindung jede induktive Last mit Anschnitt und jede kapazitive Last mit Abschnitt gedimmt werden und zwar bei allen möglichen Phasenverschiebungen (-90° < (p_L < 90°), auch sogar dann, wenn sich der Grad an Induktivität, respektive Kapazität während des Betriebs ändert. Dies ist bisher weder aus dem Stand der Technik bekannt noch durch diesen nahegelegt.exposed, since by regulating the current flow time ΔT _current the level of control can be set from 0° to 180° (for 0 to 100%) of the power, regardless of the phase shift cp _L. It should be noted that ΔT current and ΔT pause can be between 0° and 180°, but it should be noted that this angle is not measured with respect to the mains voltage zero crossing, but with respect to switching on (in the case of the leading edge method) or switching off (in the case of the trailing edge method). According to the invention, any inductive load can be dimmed with leading edge and any capacitive load with trailing edge, and this can be done with all possible phase shifts (-90° < (p _L < 90°), even if the degree of inductance or capacitance changes during operation. This is neither known from the prior art nor suggested by it.

[0025] Die Beziehung der verschiedenen Signale zueinander und die[0025] The relationship between the different signals and the

Definition der folgenden Grossen kann zum Beispiel der Fig. 5 entnommen werden: Stromflusszeit AT_strom; Strompause AT_paUse; Zündwinkel c Phasenverschiebung cp_L; Periode T_periode des Steuersignals.Definition of the following quantities can be taken from Fig. 5, for example: current flow time AT _current ; current pause AT _time ; ignition angle c phase shift cp _L ; period T _per iod of the control signal.

H2406G-DE/che &diams;;"/ : \i_m\.\ \ \H2406G-DE/che &diams;;"/ : \i _m \.\ \ \

[0026] Eine weitere Vorrichtung 20, gemäss Erfindung, ist der Fig. 7 zu[0026] Another device 20 according to the invention is shown in Fig. 7

entnehmen. Fig. 7 zeigt ein schematisches Blockdiagramm der einzelnen Funktionsblöcke der Vorrichtung 20. Über eine digitale Schnittstelle 25 kann der Vorrichtung 20 ein Sollwert 28 übermittelt werden. Ein Regler 29 berechnet anhand des Sollwertes und der momentan am Ausgang 36 gemessenen Stromflusszeit AT_strom (beim Anschnittverfahren), bzw. der Strompausenzeit ÄTpause (beim Abschnittverfahren) einen sogenannten Regelfehler. Diese Messung erfolgt durch den Block 34. Der Regelfehler wird weiterverrechnet zu einem Stellwert f, d.h. einer Korrektur der Frequenz, der einem Frequenzgenerator 32 zugeführt wird.Fig. 7 shows a schematic block diagram of the individual functional blocks of the device 20. A setpoint 28 can be transmitted to the device 20 via a digital interface 25. A controller 29 calculates a so-called control error based on the setpoint and the current flow time AT _current (in the gating method) or the current pause time ÄTpause (in the sectioning method) currently measured at the output 36. This measurement is carried out by the block 34. The control error is further calculated to form a control value f, ie a correction of the frequency, which is fed to a frequency generator 32.

[0027] Der Frequenzgenerator 32 bildet anhand einer gemessenen[0027] The frequency generator 32 forms, based on a measured

Frequenz die Netzfrequenz F nach. Die Frequenzmessung der Netzfrequenz erfolgt über einen Block 27 zur Detektion des Spannungsnulldurchgangs, einen Block 26 zur Messung der Frequenz, und einem Tiefpassfilter 30. Diese nachgebildete Frequenz F wird um den Betrag der Korrektur f vom Regler 29 verstellt. Somit wird je nach Regelfehler die Frequenz FD vorübergehend erhöht oder erniedrigt. Diese Frequenz FD wird von der Steuersignalaufbereitung 33 zu einem Steuersignal s(t) aufbereitet. Dabei gilt FD = 1/ T_periode· Mit dem Steuersignal s(t) wird einer Leistungsstufe 24 mit zwei Leistungstransistoren (nicht in Fig. 7 gezeigt) angesteuert.Frequency the mains frequency F. The frequency measurement of the mains frequency is carried out via a block 27 for detecting the voltage zero crossing, a block 26 for measuring the frequency, and a low-pass filter 30. This simulated frequency F is adjusted by the amount of the correction f by the controller 29. Thus, depending on the control error, the frequency FD is temporarily increased or decreased. This frequency FD is processed by the control signal processing 33 to form a control signal s(t). Here, FD = 1/ T _period · The control signal s(t) is used to control a power stage 24 with two power transistors (not shown in Fig. 7).

[0028] Die Leistungsstufe 24 schaltet dann gemäss dem Steuersignal s(t)[0028] The power stage 24 then switches according to the control signal s(t)

den Strompfad vom Anschluss 22 (L, Netzphase) zum Anschluss 23 (N Netznullleiter) durch oder nicht. Die Leistungsstufe 24 dient hier als Schalter, welcher geöffnet oder geschlossen wird und so die Leistung regelt, die durch die Last 21 fliesst.the current path from terminal 22 (L, mains phase) to terminal 23 (N mains neutral) passes through or not. The power stage 24 serves as a switch which is opened or closed and thus regulates the power that flows through the load 21.

[0029] Insgesamt verhält sich die Vorrichtung 20, wie auch die Vorrichtung[0029] Overall, the device 20 behaves like the device

10, wie ein Phase-Locked-Loop (PLL), der die Phase des Steuersignals s(t) &ldquor;einfängt" und festhält. Dies geschieht indem der Regler 29 die Phasenlage des Steuersignals s(t) gegenüber der Phasenlage der Netzspannung zwischen den Anschlüssen 22 und 23 verschiebt, bis die vorgegebene (gewünschte)10, like a phase-locked loop (PLL), which "captures" and holds the phase of the control signal s(t). This is done by the controller 29 shifting the phase position of the control signal s(t) relative to the phase position of the mains voltage between the terminals 22 and 23 until the specified (desired)

H2406G-DE/che ·; .· I \\ \ I \ ·,H2406G-DE/che ·; .· I \\ \ I \ ·,

Stromflusszeit AT_strom (beim Anschnittverfahren), bzw. die Strompausenzeit (beim Abschnittverfahren), hergestellt ist.Current flow time AT _current (in the initial cutting process) or the current pause time (in the sectioning process) is established.

[0030] Die Vorrichtung 20 umfasst eine optionale Überwachung 31, die[0030] The device 20 comprises an optional monitoring 31, which

weitere Meldungen einer Sensorik auswertet, die sich im Leistungsteil 24 befindet. Damit kann eine Überwachung auf einen oder mehrere der folgenden Bedingungen erfolgen:
Überstrom,evaluates further messages from a sensor located in the power unit 24. This allows monitoring for one or more of the following conditions:
overcurrent,

- Überspannung,- Overload,

- Übertemperatur.- Overtemperature.

[0031] Die Überwachung 31, kann, wie in Fig. 7 gezeigt, mit der Steuersignalaufbreitung 33 in Verbindung stehen, um die Leistungstransistoren auszuschalten, falls es zu einer Überlastsituation kommt.[0031] The monitoring 31, as shown in Fig. 7, can be connected to the control signal conditioning 33 in order to switch off the power transistors if an overload situation occurs.

[0032] Bis auf dem Leistungsteil 24 und natürlich die Last 21, können alle Funktionen in Software implementiert werden. Es ist aber auch möglich die Funktionen als Hardware zu realisieren.[0032] Except for the power section 24 and of course the load 21, all functions can be implemented in software. However, it is also possible to implement the functions as hardware.

[0033] Der Leistungsteil 24 weist zwei Leistungstransistoren Tl und T2 (vorzugsweise MOSFET Transistoren) auf, die als Wechselspannungssteller angeordnet sind, wie in Fig. 8 gezeigt. Der Knoten 43 zwischen den Transistoren Tl und T2 liegt auf einem Potential VSS. Jeder der Transistoren Tl und T2 besitzt entweder eine parasitäre Diode 37 und 38, oder es sind Dioden im Bereich der Transistoren (zum Beispiel falls bipolare Transistoren verendet werden) vorgesehen, die gegengleich angeordnet sind. Je nach Schaltzustand und Spannungszustand fliesst entweder Strom vom Anschluss 22 durch den Transistor Tl und die Diode 38, oder es fliesst Strom durch die Diode 37 und den Transistor T2. Für jeden der beiden Leistungstransistoren Tl und T2 ist je eine Netzwerk 39, 40 vorgesehen, dass verschiedene Bauelemente enthalten kann. Das Netzwerk 39 empfängt ein Steuersignal T1_ON wenn der Transistor Tl durchzuschalten ist und das Netzwerk 40 empfängt ein Steuersignal T2_ON wenn der Transistor T2 durchzuschalten ist. Die Netzwerke 39, 40 können einen oder mehrere der folgenden beispielhaften Bauelemente umfassen: Kondensator (zum[0033] The power section 24 has two power transistors T1 and T2 (preferably MOSFET transistors) which are arranged as AC voltage regulators, as shown in Fig. 8. The node 43 between the transistors T1 and T2 is at a potential VSS. Each of the transistors T1 and T2 has either a parasitic diode 37 and 38, or diodes are provided in the area of the transistors (for example if bipolar transistors are used) which are arranged in opposite directions. Depending on the switching state and voltage state, current either flows from the terminal 22 through the transistor T1 and the diode 38, or current flows through the diode 37 and the transistor T2. For each of the two power transistors T1 and T2, a network 39, 40 is provided which can contain various components. The network 39 receives a control signal T1_ON when the transistor T1 is to be turned on and the network 40 receives a control signal T2_ON when the transistor T2 is to be turned on. The networks 39, 40 may comprise one or more of the following exemplary components: Capacitor (for

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Beispiel zum Entstören), Varistor als Überspannungsschutz, Widerstände (zum Beispiel als Spannungsteiler), (Zener)Dioden, Dioden (zum Beispiel als Überstromschutz), Transistor (zum Beispiel zur Schnellabschaltung der Transistoren Tl und T2), Komperatoren (zum Beispiel zum Abgreifen von Spannungen). Die Netzwerke 39, 40 sind unter anderem mit einem Potential VDD verbunden.For example, for interference suppression), varistor as overvoltage protection, resistors (for example as voltage dividers), (Zener) diodes, diodes (for example as overcurrent protection), transistors (for example for rapid shutdown of transistors T1 and T2), comparators (for example for tapping voltages). The networks 39, 40 are connected to a potential VDD, among other things.

[0034] Die Transistoren Tl und T2 liegen im Strompfad von L nach LD, wie gezeigt. Sie bilden einen sogenannten Wechselspannungssteller, womit sich eine Wechselspannung schalten lässt. Da die Transistoren Tl und T2 parasitäre Dioden 37 und 38 aufweisen, sind zwei Transistoren Tl und T2, notwendig, die wie gezeigt angeordnet sind, denn eine Diode kann die Wechselspannung an L nur in eine Richtung sperren. Wie in Fig. 5 ersichtlich, werden die Transistoren Tl, T2 im Wechseltakt ein- und ausgeschaltet. Der Laststrom fliesst also durch den eingeschalteten Transistor und durch die Diode des anderen Transistors. Das ist so, als ob nur eine Diode zwischen L und LD vorhanden wäre. Die Erfindung nutzt diesen Punkt aus, denn so wird der Laststrom nur in eine Richtung geführt. Sobald der Wechselstrom aus L die Richtung umkehren will, sperrt die Diode. Es stört also nicht, wenn der leitende Transistor länger eingeschaltet bleibt als der Laststrom fliesst, weil die Diode des anderen Transistors als &ldquor;Stromventil" dient. Dieser Nutzen ist nicht offensichtlich, denn üblicherweise werden bei solchen Wechselspannungsstellern beide Transistoren gemeinsam eingeschaltet, um die Verlustleistung der parasitären Dioden zu minimieren.[0034] The transistors Tl and T2 are in the current path from L to LD, as shown. They form a so-called alternating voltage regulator, which can be used to switch an alternating voltage. Since the transistors Tl and T2 have parasitic diodes 37 and 38, two transistors Tl and T2 are necessary, which are arranged as shown, because a diode can only block the alternating voltage at L in one direction. As can be seen in Fig. 5, the transistors Tl, T2 are switched on and off alternately. The load current therefore flows through the switched-on transistor and through the diode of the other transistor. This is as if there were only one diode between L and LD. The invention exploits this point, because the load current is only guided in one direction. As soon as the alternating current from L wants to reverse direction, the diode blocks. It is therefore not a problem if the conducting transistor remains switched on longer than the load current flows, because the diode of the other transistor serves as a "current valve". This benefit is not obvious, because in such AC voltage regulators both transistors are usually switched on together in order to minimize the power loss of the parasitic diodes.

[0035] Bildhaft beschrieben sieht es in etwa so aus, als ob nur eine Diode vorhanden ist, die fortlaufend umgepolt würde. Daher kann man auch von einer &ldquor;kommutierenden" Diode sprechen. Der Zeitpunkt, wo die eine Diode den Laststrom sperrt wird als Stromnulldurchgang detektiert (siehe Block 35 in Fig. 7)·[0035] Described figuratively, it looks as if there is only one diode, the polarity of which is continuously reversed. Therefore, one can also speak of a "commutating" diode. The point in time at which one diode blocks the load current is detected as a current zero crossing (see block 35 in Fig. 7)·

[0036] Während ein Transistor ausgeschaltet ist, lässt sich aus seiner Drain-Source-Spannung der Spannungsnulldurchgang ablesen (siehe Block 27 in Fig. 7), aber auch Überspannungen als Folge von Phasenabschnitt an einer induktiven Last. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das genutzt werden,[0036] While a transistor is switched off, the voltage zero crossing can be read from its drain-source voltage (see block 27 in Fig. 7), but also overvoltages as a result of phase section on an inductive load. In a further embodiment of the invention, this can be used to

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um automatisch auf Anschnitt umzuschalten, respektive um durch Beobachten der Drain-Source-Spannung die Art der momentan angeschlossenen Last erkennen zu können.to automatically switch to gate control or to be able to detect the type of load currently connected by observing the drain-source voltage.

[0037] Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Spannung über dem eingeschalteten Transistor zur Detektion von Überströmen genutzt werden, damit im Falle eines Kurzschlusses eine Schnellabschaltung der Transistoren Tl, T2 zu deren Schutz vorgenommen werden kann. Das ist möglich, weil die Transistoren Tl, T2 spezifizierte Leitend-Widerstände (Rds,on) haben und damit der Zusammenhang zwischen Überstrom und Spannung bekannt ist.[0037] According to a further embodiment of the invention, the voltage across the switched-on transistor can be used to detect overcurrents so that in the event of a short circuit, the transistors Tl, T2 can be switched off quickly to protect them. This is possible because the transistors Tl, T2 have specified conduction resistances (Rds,on) and thus the relationship between overcurrent and voltage is known.

[0038] In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform umfasst der Regelkreis einen Frequenzgenerator 32 (siehe Fig. I)₁ der die Netzfrequenz der Wechselspannung am Netzspannungseingang 22 nachbildet, wobei der Frequenzgenerator 32 so ansteuerbar ist, dass je nach Regelfehler f die Frequenz FD des Frequenzgenerators 32 erhöht oder erniedrigt wird. Durch den Tiefpass-Filter 30 (es kann auch ein schmalbandiger Bandpassfilter verwendet werden) können sogenannte Rundsteuersignale, die auf dem Netz vorhanden sind, eliminiert oder unterdrückt werden. Der Tiefpass-Filter 30 garantiert eine präzise, störungsunempfindliche Messung der Netzfrequenz. So kann eine genaue und stabile Nachbildung der Netzfrequenz erzielt werden. Dies ist ein Vorteil gegenüber herkömmlichen Schaltungen, die sehr empfindlich gegenüber diesen Rundsteuersignalen sein können.[0038] In a further preferred embodiment, the control circuit comprises a frequency generator 32 (see Fig. I) ₁ which simulates the mains frequency of the alternating voltage at the mains voltage input 22, wherein the frequency generator 32 can be controlled in such a way that the frequency FD of the frequency generator 32 is increased or decreased depending on the control error f. The low-pass filter 30 (a narrow-band band-pass filter can also be used) can eliminate or suppress so-called ripple control signals that are present on the network. The low-pass filter 30 guarantees a precise, interference-insensitive measurement of the mains frequency. In this way, an accurate and stable simulation of the mains frequency can be achieved. This is an advantage over conventional circuits, which can be very sensitive to these ripple control signals.

[0039] Vorzugsweise kann die digitale Schnittstelle so ausgelegt sein, dass sie in der Lage ist verschiedene Protokolle zu verarbeiten. Die digitale Schnittstelle kann in Form einer Steckkarte ausgeführt sein, die je nach Ansteuerbedarf auswechselbar ist.[0039] Preferably, the digital interface can be designed so that it is able to process different protocols. The digital interface can be designed in the form of a plug-in card that can be replaced depending on the control requirements.

[0040] In einer weiteren Ausführungsform sind mehrere Kanäle parallel zueinander angeordnet, wobei jeder Kanal einen Regelkreis und einen Leistungsteil aufweisen kann. Durch die spezielle Art der Ausführung, können[0040] In a further embodiment, several channels are arranged parallel to each other, whereby each channel can have a control circuit and a power section. Due to the special type of design,

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1212

mehrere Kanäle ausgangsseitig parallel geschaltet werden, um grössere Leistungen bereitzustellen.Several channels can be connected in parallel on the output side to provide greater power.

• ··

Claims

1. Device ( 10 ; 20 ) for controlling a load ( 11 ; 21 ) with an alternating current, with

- a mains voltage input ( 12 ; 22 ) for applying an alternating voltage,

- an output ( 13 ; 36 ) for attaching the load ( 11 ; 21 ),

- an AC voltage regulator ( 15 ) with two power transistors (T1, T2) which are arranged in the region of the output in order to provide a predeterminable average power at the output ( 13 ; 36 ),

- a control circuit ( 16 ; 29 , 32 , 33 , 34 , 35 ) for outputting a control signal (s(t)) for switching the power transistors (T1, T2), wherein only one of the two power transistors (T1, T2) is switched on at a time and the power transistors (T1, T2) switch the load ( 11 ; 21 ) with a duty cycle such that the average power is output to the load ( 11 ; 21 ).

2. Device ( 10 ; 20 ) according to claim 1, wherein the control circuit ( 16 ; 29 , 32 , 33 , 34 , 35 ) automatically detects whether the load ( 11 ; 21 ) is a capacitive load or an inductive load and the power transistors (T1, T2) control the capacitive load according to the phase-cutting principle and the inductive load according to the phase-cutting principle.

3. Device ( 10 ; 20 ) according to claim 1 or 2, wherein the control signal (s(t)) is a square-wave signal which can be phase-shifted by the control loop ( 16 ; 29 , 32 , 33 , 34 , 35 ) with respect to the phase of the alternating voltage at the mains voltage input ( 12 ; 22 ).

4. Device ( 10 ; 20 ) according to claim 1, 2 or 3, wherein each of the power transistors (T1, T2) has a parasitic diode ( 37 , 38 ) and the two power transistors (T1, T2) are arranged such that the parasitic diodes ( 37 , 38 ) are oppositely directed.

5. Device ( 10 ; 20 ) according to claim 4, wherein the current flow time (ΔT _current ) and thus the average power can be influenced by the control circuit ( 16 ; 29 , 32 , 33 , 34 , 35 ).

6. Device ( 20 ) according to claim 3, wherein a control error (f) is determined by the control loop ( 29 , 32 , 33 , 34 , 35 ) and, based on the control error (f), the phase shift of the rectangular signal is adjusted by correcting the frequency (FD) of the rectangular signal (s(t)).

7. Device ( 20 ) according to claim 6, wherein the control circuit ( 29 , 32 , 33 , 34 , 35 ) comprises a frequency generator ( 32 ) which simulates the mains frequency (F) of the alternating voltage at the mains voltage input ( 12 ; 22 ), wherein the frequency generator ( 32 ) can be controlled such that the frequency (FD) of the frequency generator ( 32 ) is increased or decreased depending on the control error (f).

8. Device ( 20 ) according to claim 1, 2, 3 or 4, with a digital interface ( 25 ) for receiving the predeterminable average power as a target value ( 28 ).

9. Device ( 10 ; 20 ) according to one of the preceding claims, wherein the control signal (s(t)) switches a current path from a mains phase (L) to a mains neutral conductor (N).

10. Device ( 10 ; 20 ) according to one of the preceding claims, comprising means ( 31 ) for monitoring overcurrent and/or overvoltage and/or overtemperature.