DE2347910C3 - Schaltungsanordnung zum Betrieb von Halogenlampen für die Signalgeber einer Straßenverkehrssignalanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von Halogenlampen für die Signalgeber einer Straßenverkehrssignalanlage über im Lampengehäuse angeordneter Transformatoren, die durch zwei antiparalle! schaltende, steuerbare Halbleiter an die Speise-Wechselspannung anschaltbar sind.

Die Signalgeber im Straßenverkehr werden in zunehmenden Maße mit Halogenlampen ausgerüstet, da diese gegenüber normalen Glühlampen einen höheren Wirkungsgrad, eine bessere Lichtausbeutc und eine längere Lebensdauer garantieren. Derartige Halogenlampen werden zur Zeit nur mit niedriger Spannung von z.B. 10V betrieben. Die kurze und dicke Glühwendel ermöglicht nämlich eine Bündelung des Lichts und außerdem eine bessere Lichtausbeute. Beide Eigenschaften lassen die Verwendung von Halogen-Glühlampen für Lichtsignalgeber in Straßenverkehrssignalanlagen für besonders sinnvoll erscheinen. Diese Niedervoltlampen bedürfen allerdings besonderer, im Signalgebergehäuse untergebrachter, aus dem Netz gespeister Transformatoren. Im Signalgebergehäuse werden diese Transformatoren deshalb angeordnet, damit aus Gründen des besseren Wirkungsgrades die Energiezufuhr zu den einzelnen Signalgebern noch mit hoher Spannung und niedrigerem Strom erfolgen kann und die Umwandlung in niedrige Spannung und hohen Strom erst unmittelbar am Verbrauchsort: zu erfolgen braucht. Transformatoren unmittelbar beim Verbraucher vorzusehen, ist allerdings bereits durch das deutsche Gebrauchsmuster 18 03 856 bekannt.

Geschaltet werden diese Transformatoren und damit die Signalgeberlampen durch zwei antiparailel schaltende, steuerbare Halbleiter — wie es in der deutschen Auslegeschrift 18 02 657 beschrieben wird —, da diese steuerbaren Halbleiter gegenüber mechanischen Schaltern besondere Vorteile aufweisen.

Allerdings führt die Verwendung der zwei antiparallel schaltenden steuerbaren Halbleiter (in Zukunft kurz Triac genannt) in Verbindung mit den Halogenlampen häufig zur Zerstörung der bereit* durch die Lampenwärme im engen Signalgebergehäuse vorgeheizten Transformatoren. Dies — wie nachfolgend näher erläutert wird — wenn sie au; irgendwelchen Gründen unipolar betrieben werden

Netztransformatoren sind wirtschaftlich nur mil Standard-Blechsorten herzustellen, die infolge de« verhältnismäßig hohen remanenten Magnetismus abwechselnd in beiden Richtungen magnetisiert werden müssen, um den nötigen Flußhub zur Verfügung zu haben. Wird ein solcher Netztransformator durch irgendwelche Umstände nur in einer Richtung magnetisiert, d. h. nur mit Strom einer Polarität durchflossen (Unipolarbetrieb), so ist der Flußhub zi gerinc. um der Netzspannung die nötige induzierte Süannung entgegensetzen zu können, d. h., das Eisen gerät in Sättigung. Dadurch steigt der Strom enorrr an und wird schließlich nur durch die ohmscher Widerstände des Kreises begrenzt. Bei üblichei Dimensionierung entstehen unipolare Stromspitzen von 10 bis 20 A, die den Transformator in wenigen Sekunden zerstören.

Unipolarbetrieb ist durch Triacdefekt auf zweierlei Art möglich. Einmal kann die Halbleiterstrecke für die eine Netzspannungspolarität dauernd leitend sein. Dieser Triacdefekt bewirkt bei nicht angesteuertem Lampenschalter, daß der Transformator mn Netzhalbwellen der Polarität, für die der Triac dauernd leitend ist, unipolar betrieben wird. Andererseits kann ein defekter Triac bei Ansteuerung nui für eine Netzspannungspolarität leitend werden, füi die andere Polarität aber dauernd gesperrt bleiben, Auch dann wird der Transformator nur mit Netzhalbwellen einer Polarität unipolar betrieben.

Bedingt durch die Triac-Ansteuerung mit Impulsen bei Netzspannungs-Nulldurchgang kann jedoch Unipolarbetrieb auch ohne defekten Triac auftreten, Die Voraussetzung dafür ist, daß der Triac-Laststrom der einen Halbwelle noch fließt, nachdem die Netzspannung bereits durch Null ging und der Zündimpuls für die folgende Halbwelle der anderen Polarität bereits abgeklungen ist. Dadurch sperrt dei Triac, wenn der Strom mit der Polarität der vorhergehenden Halbwelle den Haltcs.rom unterschreitet, der Zündimpuls für. die folgende Halbwelle ist jedoch vorbei, so daß in dieser Halbwelle kein Strom fließt Der darauffolgende Zündimpuls steuert den Triac wieder in der Halbwelle leitend, in der auch vorhei Strom geflossen ist. Der Triac bleibt nur jede zweite Halbwelle leitend, es entsteht Unipolarbctrieb.

Im Leerlauf stellt der Transformator eine hohe Induktivität dar (belastet wirkt nur die Streuinduktivität), der Magnetisierungsstrom eil; fast 90° nach Erreicht der Magnetisierungsstrom am Ende de: ersten St^ucrpulses den Triac-Haltestrom, so bleibl der Triac während der Halbwelle leitend, der Strom eilt jedoch nach und geht dadurch erst durch Null, wenn der Zündpuls für die folgende Halbwelle vorbei ist. In dieser Halbwelle bleibt der Triac gesperrt: in der folgenden wird er wieder leitend, es herrsch! Unipolarbetrieb. Die Höhe des Unipolarstromes bei leerlaufendem Transformator hängt von der Induktivität des Transformators ab und ist wesentlich niedriger als im belasteten Zustand.

Unipolarbetrieb ist auch bei belastetem Trans

formator, insbesondere durch den Kaltstrom der Halogenlampe, möglich.

Bei Ansteuerung im Nulldurchgang erreicht der Kaltstrom während der ersten Halbwclle die 3- bis 4fache Höhe des Nennstromes. Dadurch bewirkt die Slreuinduktivität des Transformator eine stärkere Phasendehnung, der Primürstroro eilt so stark nach, daß, wie oben beschrieben, während des Zündimpulses für die folgende Halbwelle der Strom noch nicht durch Null geht. Der Triac wird nur jed: zweite Halbwelle leitend, und es herrscht Unipolarbetrieb. Infolge rier gegenüber dem Leerlaufbetrieb wesentlich niedrigen Induktivität des Transtormators (Streuinduktivität) kann auch der Unipolarstrom wesentlich höhere Wme von 10 bis 20 A erreichen.

Aus der deutschen Patentschrift 9 08 &99 sind bereits Transformatoren bekannt, die mit steuerbaren Entladungsstrecken zusammenarbeiten. Weiterhin ist im »Röhrentaschenbuch« von Telefunken, Ausgabe 1956, S. 251, Bild 4 und der S. 254 bis 256 angegeben, wie der starken Beanspruchung eines Transformators durch eine entsprechend höhere Dimensionierung Rechnung zu trasen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, alle die Vorteile der Niedcrvolt-Halogen-Ulühlampen für Verkehrssignalanlagen auszunutzen, ohne die vorgenannten Nachteile, nämlich insbesondere die mögliche Zerstörung des erforderlichen Transformator;, im Signalgebergehäuse, durch unipolaren Betrieb in Kauf nehmen zu müssen.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Schaltungsanordnung zum Betrieb der Lichtsignalgeber einer Straßenverkehrssignalanlage durch die Kombination folgender, teilweise an sich bekannter Merkmale erreicht:

a) Verwendung von Niedervolt-Glühfaden-Halogenlampen,

b) im Lampengehäuse sind Transformatoren mit etwa doppelter Primärwindungszahl als üblich und damit solcher Induktivität angeordnet, daß bei Betrieb mit nur einer Halbwclle der Unipolarstrom die Belastbarkeit der Transformatorwicklung zumindest kurzzeitig nicht übersteigt,

c) die Glühfaden-Halogenlampen bzw. Transformatoren sind durch zwei antipolar schaltende, steuerbare Halbleiter an die Speise-Wechselspannung anschaltbar.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann ein in der Wicklung jedes Transformators angebrachter Thermofühler die Speisespannung bei Überschreiten der zulässigen Wärmebelastung abschalten.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel. Es zeigt

F i g. 1 eine bekannte Anordnung zum Schalten der Signallampen eines Signalgebers,

Fig. 2 die Spannungs- und Stromdiagramme zu der bekannten Schaltung gemäß F i g. 1,

F i g. 3 den Betrieb der Halogenlarnpen über im Signalgebergehäuse angeordnete Transformatoren.

In der Schaltung gemäß F i g. 1 liegt die Betriebswechselspannung am Eingang des Gleichrichters Gl. Sie ist in F i g. 2 dargestellt und durch 0 am Eingang des Gleichrichters G1 und in F i g. 2 identisch gekennzeichnet. Am Eingang des schwellwertabhängigen Schalters S stehen also positiv gerichtete Halbwellen an, wie sie durch die Ziffer Q) kenntlich gemacht sind. Die gestrichelte, parallele Linie soll die Schwelle Schw des schwellwertabhängigen Schalters 5 bedeuten.

Am Eingang des Begrenzungsschalters B steht also die gemäß Zitier φ dargestellte Spannung an. Vom Ausgang des Begrenzers B gelangen dann die gemäß Ziffer (§) dargestellten Rechteckimpulse an das Differenzierglied D, so daß am Eingang des Gleichrichters G2 abwechselnd positive und negative Impulse anstehen, wie sie gemäß Ziffer (f) dargestellt sind. Von diesen wählt der Gleichrichter Gl nur die dem Ende jedes Rechteckimpulses entsprechenden positiven Impulse gemäß Ziffer (S) aus, und diese bringen die monostabile Kippstufe mK jeweils in ihre astabile Lage. Die Zeitdauer der monostabilen Kippstufe ist verstellbar und sie betrage im vorliegenden Falle 1,76 msec. Da weiterhin der Schwellwertschalter S ebenfalls einstellbar ist und im vorliegenden Falle ü, 16 msec vor Nulldurchgang des Nutzstromes die Steuerspannung abschaltet, beginnt jeder Steuerimpuls 0.16 msec vor und endet 1,6 msec nach dem Nullduchgang des Nutzstromes. Dies hat zur Folge, daß jeweils in dem Zeitraum, während der Nutzstrom im steuerbaren Halbleiter dessen Haltcstrom unterscheidet, ein Steuerimpuls fließt und damit auch weiterhin den Halbleiter durchsteuert. Diese Steuerimpulse von der monostabilen Kippstufe mK gemäß Ziffer (7) kommen an die Und-Gatter UgI ... Ug 3. Wenn also beispielsweise im Programmgeber Pg, der durch die drei Tastenschalter T 1 ... T 3 vereinfacht dargestellt ist, z. B. die Taste T 3 gedruckt wird, so gelangt über das UND-Gatter Ug 3 der Steuerimpuls an den übertrager U 3, der den ständig Betriebsspannung führenden, steuerbaren Halbleiter Tc 3 von der übrigen Steuereinrichtung galvanisch trennt. Dieser Impuls steuert also den steuerbaren Halbleiter Tc3 durch und durch die Glühlampe im Signalgeber 5g fließt nunmehr, wie aus Ziffer® erkennbar ist, der Nutzstrom J. Da die Glühlampen praktisch einen rein ohmschen Widerstand darstellen, sind Betriebsspannung U und Nutzstrom J in Phase, so daß keine Phasenverschiebung zu berücksichtigen ist. Erforderlichenfalls kann dies jedoch ohne weiteres durch Änderung des Soll-Schwellwertes Schw des Schwellwertschalters 5 erfolgen. Gegebenenfalls können die Steuerimpulse, wie aber nicht dargestellt wurde, auch vom phasenverschobenen Nutzstrom nach seinem Einschalten abgegriffen werden.

Der Programmgeber Pg ist hier durch die einfachen Tastenschalter Γ1 ... T3 symbolisch dargestellt. In Wirklichkeit können dafür natürlich elektronische Schalter vorgesehen sein, und der Programmgeber Pg kann ein Rechner oder eine sonstige im modernen Straßenverkehr übliche Einrichtung sein, wie sie z. B. im deutschen Patent 12 71 603 beschrieben ist.

Der Signalgeber Sg' gemäß F i g. 3 soll an Stelle des Signalgebers 5g hinter der strichpunktierten Linie in Fig. 1 treten. Die Steuerung seiner Signallampen erfolgt im übrigen in der gleichen Weise, wie dies für die F i g. 1 und 2 beschrieben wurde. Vom Triac Tc 1 erhält also der Transformator 7>1 Wechselspannung, die diesen Transformator Tr 1 und damit die Halogenlampe Hl 1 speist. Entsprechendes gilt für die Halogenlampen HIl und Hl 3. Die Windungszahl dieser Transformatoren TrI bis Tr 3 wurde gegenüber der üblichen Dimensionierung eines Netz-

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transformators etwa verdoppelt. Die dabei übliche wechselsinnige Schichtung des Blechpaketes wurde beibehalten, außerdem wurde jeder Transformator TrI bis Tr3 primarseitig mit einem KC-Löschglied beschaltet.

Durch die große Windungszahl sinkt der Unipolarstrom bei Leerlauf und unter Last infolge der Nichtlinearität des Eisens auf einen Bruchteil gegenüber normaler Dimensionierung, der Leerlaufstrom fällt ebenfalls wesentlich.

Bei Unipolarbetrieb durch einen Triacdefekt wie vorher beschrieben entstehen nur noch Unipolarströme von etwa 3,2 A Spitze bzw. etwa 1,0 A effektiv. Der Transformator erwärmt sich nur langsam, so daß ein Thermoschalter Thj in der Transformatorwicklung der Wicklungstemperatur folgen kann und bei Erreichen der zulässigen Grenztemperatur von etwa 15O⁰C den Primärstromkreis unterbricht. Der Transformator kühlt ab, nach einigen Minuten ist die untere Schaltschwelle des Thermoschalters Thj von etwa 100^C C erreicht, und der Stromkreis wird wieder geschlossen, das Spiel wiederholt sich.

Bei Unipolarbetrieb fließt während etwa 1 Minute Strom, anschließend ist der Thermokontakt Thj etwa 7 Minuten geöffnet. Bei diesem Unipolarbetrieb brennt die Halogenlampe nur schwach, so daß aus Gründen der Verkehrssicherheit möglichst bald der defekte Lampenschalter ausgewechselt werden muß. Eine Fehlmeldung erfolgt durch die Signalsicherung für Unipolarbetrieb.

Durch die etwa doppelte Windungszahl bei kleinerem Drahtquerschnitt steigen die Kupferverluste stark an, was insbesondere bei hohem Umgebungstemperaturen, denen der Signalgeber Sg' ausgesetzt sein kann, sehr hohe Wicklungstemperaturen zur Folge hat. Aus diesem Grunde wird dann der Transformator für sehr hohe Temperaturen (hochtempera'.urfeste Drähte) dimensioniert.

Selbst mit kurzgeschlossener Sekundärwicklung des Transformators Tr tritt kein Unipolarbetrieb aul (höchstmöglicher Belastungsfall). Mit leerlaufendem Transformator, also bei Fadenbruch der Halogcn-Iampe, steigt der Primärstrom infolge der hohen Induktivität während des Zündimpulses von 2 ms Dauer nicht bis zum Haltestrom des Triac an, dei Triac bleibt nichtleitend, so daß nur während dei Zündimpulse ein Stromimpuls von max. 4 mA fließt.

Steuert jedoch ein Triac mehrere parallelgeschaltete Halogensignalgeber — jeweils mit der ÄC-Kombination beschältet — deren Trafos alle leerlaufen, so wird beim eisten Zündimpuls der Haltestrom überschritten, der Triac bleibt leitend, und durch den nacheilenden Strom entsteht Unipolarbetrieb im Leerlauf. Die Höhe des unipolaren Stromes hängt von der Anzahl der leerlaufenden Transformatoren ab.

Mit 4 parallelgeschalteten und leerlaufenden Transformatoren fließt ein Unipolarstrom von etwa 170 mA Spitze, der Effektivwert beträgt etwa 55 mA. Schaltet ein Triac mehrere Signalgeber und tritt nur in einem Signalgeber Fadenbruch der Halogenlampe auf, so bleibt der Triac durch die parallelliegenden Lampenkreise leitend, und der nun leer- laufende Transformator zieht einen sinusähnlichen Leerlaufslrom von etwa 3 mA effektiv, so als würde er ohne Lampenschalter direkt am Netz liegen.

Aus dem hier Ausgeführten ergibt sich also, daß durch die günstige Dimensionierung des Transformators teilweise überhaupt kein unipolarer Betrieb eintreten kann. Tritt er aber auf, so kann er jedenfalls den Transformator nicht zerstören.

Weiterhin sollen auch die nur schematisch dargestellten Bauelemente der Schaltung gemäß F i g. 1

und 3 nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt bleiben, sondern die dafür heute üblichen Schaltungseinheiten, wie Schmitt-Trigger, Zenerdioden oder sonstige elektronische Schaltelemente, vorgesehen werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schahungsanordnung zum Betrieb der Licht-•igiiaigeber einer Straßenverkehrssignalanlage, gekennzeichnet durch die Kombination folgender teilweise an sich bekannter Merkmale:

a) Verwendung von Niedervolt-Glühfaden-Halogenlampen,

b) im Lampengehäuse sind Transformatoren mit etwa doppelter Primärwindungszahl uls üblich und damit solcher induktivität angeordnet, daß bei Betrieb mit nur einer HaIbwdle der Unipolarstrom die Belastbarkeit der Transformatorwicklung zumindest kurzzeitig nicht übersteigt,

c) die Glühfaden-Halogenlampeu bzw. Transformatoren sind durch zwei antipo^ar schallende, steuerbare Halbleiter an die Speise-Wechselspannung anschaltbar.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein in der Wicklung jedes Transformators angebrachter Thermofühler die Speisespannung bei Überschreiten der zulässigen Wärmebelastuni! abschaltet.