DE2355875C3 - Schaltungsanordnung zur Funkentstörung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Funkentstörung, insbesondere für elektrische Helligkeitssteuergeräte zur Steuerung von Glühlampen, bei welcher ein Halbleiterschalter (Triac) in ein erstes Netzwerk einbezogen ist, das zwei mit dem Triac in Reihe liegende Drosseln und zwei Querkondensatoren enthält, und ein die Steuerung, vorzugsweise Phasenanschnittssteuerung, bewirkendes zweites Netzwerk parallel zum Triac liegt Eine Schaltung dieser Art ist aus der DE-OS 20 53 874 bekanntgeworden.

Für die bei Pbasenanschnittssteuerung von elektrischen Verbrauchern, beispielsweise Glühlampen, erforderlichen steuerbaren Schalter werden im zunehmenden Maße Halbleiter-Stellglieder wie Thyristoren oder

ίο Triacs (Triac = Triode — AC-Semiconductor-switch) verwendet Diese bidirektionalen Wechselstromschalter zeichnen sich gegenüber anderen Schaltmitteln wie Relais durch schnelle Ansprechzeiten, kleines Volumen, geringes Gewicht und Wartungsfreiheit aus, verfügen auch über ein recht hohes Schaltverhältnis (Widerstandsverhältnis zwischen eingeschaltetem und ausgeschaltetem Zustand); ihr Verhalten beim Übergang von einem in den anderen Zustand, insbesondere bei Zündung, wirft jedoch eine Reihe von Problemen auf:

Wird ein Triac vom sperrenden in den leitenden Zustand geschaltet so steigt der Verbraucherstrom mit einer derart steilen Flanke vom Sperrwert bis auf seine maximale Höhe an, daß mit periodischer Wiederkehr des Einschaltvorganges das Oberwellenspektrum des begleitenden Spannungszusammenbruchs auch den Funkfrequenzbereich erfaßt und dort Amplituden liefert, die die gesetzlich zugelassenen Höchstwerte für Funkstörspannungen erheblich überschreiten.

Zur Erfüllung der gesetzlichen Auflagen, speziell der einschlägigen internationalen (CISPR-) wie der etwas schärferen nationalen (VDE-)Vorschriften ist bislang eine Vielzahl von Maßnahmen erprobt und in der Fachwelt diskutiert worden. Sämtliche in jüngerer Zeit bekanntgewordenen Vorschläge gehen davon aus, daß die üblicherweise eingesetzten Entstörmiuel mit Längsinduktivitäten und Querkondensatoren (LC-Glieder) — wollte man den erforderlichen Raumbedarf sowie den preislichen Aufwand in wirtschaftlich eben noch vertretbaren Grenzen halten — für die vorliegenden Zwecke nicht ausreichen. Die Ursache hierfür liegt darin, daß die Entstörfilter einer Reihe voneinander zuwiderlaufenden Erfordernissen genügen müssen.

Bekanntlich wirkt ein LC-Glied als Parallelschwingkreis ausgleichend auf den nach Zündung des Triacs entstehenden Stromanstieg und kann je nach Wahl der Kreisparameter die Steilheit der Flanke mehr oder weniger verringern. Von Seiten einer guten Funktentstörung sollten möglichst dämpfungsarme und hochohmige Entstörkreise verwendet werden. Derart ausgelegte Kreise bilden zugleich auch einen relativ gering gedämpften Schwingkreis, der zum Durchschwingen neigt und dadurch den Triac, dessen leitender Zustand nur oberhalb einer Mindeststromstärke (Hallestrom) aufrechterhalten werden kann, zur Löschung bringt.

Diese Erscheinung tritt vornehmlich dann auf, wenn die Bedämpfung des zu Entstörzwecken eingebrachten Schwingkreises durch die Last gering ist wenn also beispielsweise nur eine Glühlampe von geringer Energieaufnahme zu regeln ist. Schwingneigung und

6ö Stabilität der Schaltung, insbesondere bei leistungs» schwachen Lasten, konkurrieren miteinander; ein Vermeiden der Schwingneigung führt zwar zu stabilen Verhältnissen, beeinträchtigt aber erheblich die Entstörwirkung. Unabhängig von diesem Problem muß in vielen Anwendungsfällen bei der mechanischen Gestaltung auf die Tatsache Rücksicht genommen werden, daß die gesamte Entstöranordnung in einer normierten Unterputzdose, einer sogenannten 55er UP-Dose,

unterzubringen ist und daneben noch Platz für beispielsweise einen Dimmer (Dimmer = Dämmerlichtschaltung zur stufenlosen Helligkeitsregelung bei Zimmerbeleuchtung) und die Phasenanschnittssteuerung bleiben muß. Schließlich darf die im Betrieb des Filters an den Drosseln entwickelte Verlustleistung einen bestimmten Wert nicht überschreiten. Berücksichtigt man hierbei die schlechten Wärmeableitverhältnisse in der UP-Dose sowie die Erwärmung der Entstörkondensatoren, des Triacs und der übrigen Bauelemente, so sind der zulässigen Eigenerwärmung enge Grenzen gesetzt

Zur Stabilisierung einer Funkentstöranordnung für Thyristorschaltungen ist aus der österreichischen Patentschrift 2 61054 bekanntgeworden, bei dem üblichen LC-Glied den Kern der Induktivität (hier der Sekundärv-'icklung eines Impulstransformators) aus einem Material großer Eigendämpfung herzustellen und dem Parallelschwingkreis eine solche Dämpfung zu geben, daß der Laststrom nach Zündung des Thyristors in Form eines im wesentlichen periodischen Einschwingvorganges einsetzt Eine zufriedenstellende Entstörwirkung konnte mit dieser Schaltung jedoch bislang nicht erzielt werden, da auch nach heutigem Stand der Technik kein Kernmaterial für eine Funkentstördrossel verfügbar ist, das die erforderlichen hohen Permeabilitäts- und Induktionswerte besitzt und dabei den angestrebten Einschwingmodus zuläßt

Um dem Drosselkern die notwendigen magnetischen Eigenschaften zu geben, enthält eine bekannte Funkentstördrossel gemäß der DE-OS 21 19 950 zwei ringförmige, axial übereinandergestapelte Teilkerne, wobei der eine Teilkern aus magnetisierbarem Eisenblech und der andere Teilkern aus einem Ferritring mit Luftspalt besteht. Eine Teilkernkombination gibt wohl bessere Entstöreigenschaften verringert jedoch die Stabilität der Schaltung und ist zudem teuer und schwierig zu beherrschen.

Alternativ zur Drosselkernauftrennung in zwei Teilkerne ist in der bereits eingangs zitierten deutschen DE-OS 20 53 874 vorgesehen, zusätzlich zum normalen, aus Entstördrossel und Störschutzkondensator bestehenden LC-Glied zwischen Entstördrossel und Last eine weitere Entstördrossel in Reihe mit diesen zu schalten, wobei die dem Triac nächstliegerde Drossel aus Ringkernblechen besteht und die nachfolgende Drossel einen Ferritpulverkern besitzt; weiterhin wird hierbei der Störschutzkondensator zu einem RC-Glied erweitert und schließlich die?es Netzwerk insgesamt mit einem zweiten Kondensator überbrückt Durch Ver-Wendung zweier verschieden aufgebauter Drosseln mit zusätzlicher RC-Dämpfung ist der Aufwand auch dieser Schaltung noch erheblich; die Unterbringung in einer UP-Dose macht Schwierigkeiten. Zudem sind dieser Druckschrift Angaben, ob außer den Auflagen der internationalen Bestimmungen auch die der schärferen VDE-Vorschnften eingehalten sind, und zwar auch bei der bekanntlich erheblich schwieriger zu entstörenden Teillast, nicht zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Funkentstörschaltung für eine Halbleitersteuerung zu erstellen, die die gesetzlichen Bestimmungen einschließlich einschlägiger VDE-Vorschriften erfüllt und dabei tuch für einen großen Lastbereich ausreichend stabil ist; ein Funkentstörfilter nach dieser Schaltung soll vergleichsweise geringe Erwärmung aufweisen und eine besonders platzsparende Gestaltung ermöglichen, so daß es bequem in eine Unterputz-Dose, insbesondere der 55er-Norm eingebaut werden kann. Ausgehend von einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beide Drosseln nach Art einer Doppeldrossel derart einander zugeordnet sind, daß sie ein definiertes Maß einer gegenseitigen Kopplung aufweisen, wobei sich die eine Drossel zwischen Last und Triac und die andere Drossel zwischen Netz und Triac befindet und daß der eine Querkondensator (erster Querkondensator) zu dem aus Triac und Doppeldrossel gebildeten Zweig parallel geschaltet ist und der andere Querkondensator (zweiter Querkondensator) den Triac und eine Drossel überbrückt

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß die vorgeschlagene Doppeldrossel mit definiertem Kopplungsgrad tatsächlich die beim Zünden des Triacs entstehenden Stromspitzen im Zusammenwirken mit den Entstörkondensatoren ausreichend dämpft und gleichzeitig — bei geeignetem Wicklungssinn der Teilwicklungen — für die re . iichen Störspannungen einen Kurzschiußtransformatur bildet Dabei sind die magnetischen Eigenschaften der Drosselkernmaterialien nicht mehr kritisch, vielmehr besteht sogar ein Auswahlmöglichkeit zwischen verschiedenen Kernstoffen Kid -formen, sofern nur die jeweils richtigen Kopplungs- und Dämpfungsverhältnisse im Filterkreis eingehalten werden; genauere Angaben hierüber sind in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen enthalten. Im Ergebnis wird ein preiswertes Funkentstörfilter verfügbar, das baulich nur aus zwei LC-Gliedern besteht und dennoch allen Anforderungen genügt

Die Verwendung von Doppeldrosseln bei der Entstörung von BeSeuchtungsstromkreisen ist an sich seit längerem bekannt; man vergleiche hierzu beispielsweise die deutsche Patentschrift 12 58 489. Gemäß dieser sind die beiden Wicklungen niederfrequenzmäßig gegeneinander geschaltet und weisen trotz eines gemeinsamen Eisenkerns keinen Kopplungsgrad auf, mit dem sie als Kurzschlußtransformator wirksam werfen können. Im übrigen sind sie so beschaltet, daß sie umfangreicher Zusatzmaßnahmen bedürfen, um ausreichend zu entstören.

Bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann es, abhängig von der Eigendämpfung des Kerns (Wahl des Kernmaterials), notwendig sein, die Einschaltstromspitzen zusätzlich durch eine Kurzschlußwindung an einer oder beiden Drossel zu bedampfen. Die Dämpfung kann statt durch die Kurzschlußwindung auch durch ein dämpfend wirkendes Metallgehäuse oder durch eine dämpfend wirkende Metallabschirmung erfolgen.

Zur weiteren Verbesserung der Entstörung und der Stabilität ist es zweckdienlich, beide Querkondensatoren mit einem gemeinsamen Fußpunkt netzseitig anzuschließen. Bei dieser Fußpunktlage wird der Kurz- und Mittelwellenbereich besonders gut entstört.

An eine mit einem erfindungsgemäßen Funktentstörfilter ausgerüstete Jnterputz-Dose sind keine besonderen Anforderungen bei der Wärmeabfuhr gestellt; die relativ niedrigen Übertemperaturen im Doseninneren garantieren vielmehr eine hohe Lebensdauer der Schaltung, eine besonders bei in Unterputzbauweise installierten Einheiten geschätzte Eigenschaft.

Anhand eines in den Figuren der Zeichnung teilweise nur schematisch dargestellten, besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung nachstehend mit weiteren Merkmalen näher erläutert werden.

Einander entsprechende Teile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt

F i g. 1 das Schaltbild des Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

F i g. 2 ein Störspannungsdiagramm des AusführungS' beispiels nach F i g. 1, im Vergleich mit einer Ausführung ohne Drosselkopplung,

Fig.3 eine konstruktive Gestaltung des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1, in der Draufsicht.

Fig. 1 zeigt eine Schaltung für die Phasenanschnittssteuerung einer Last, in diesem Fall zur Helligkeitsregelung einer mit 1 bezeichneten Glühbirne. Als steuerbarer Schalter ist ein Triac 2 gewählt. Ihm parallel liegt das eigentliche Steuerteil, dessen Aufbau für die vorliegende Erfindung nicht von Belang ist und das daher in der Zeichnung nur mit einem Kasten 3 angedeutet wird. nipshp7figlirhp F.in7p.!heiten sind beispielsweise der genannten DT-OS 20 53 874 oder der Veröffentlichung von O. Li man η »Phasenanschnittssteuerung« in »Funkschau«, 1971, Seiten 87 bis 90 zu entnehmen. Zwischen Last 1 und Steuerteil 3 sowie den Triac 2 ist ein Funkstörfilter geschaltet durch die gestrichelte Umgrenzung 4 angedeutet. Es besteht im einzelnen aus zwei Entstörkondensatoren 5, 6 sowie zwei Entstördrosseln 7, 8. Drossel 7 liegt lastseitig, Drossel 8 netzseitig vom Triac 2; beide Drosseln sind jedoch zu einer Doppeldrossel 9 mit definiertem Koppiungsgrad zusammengefaßt Die Kondensatoren 5, 6 bilden eine asymmetrische Y-Schaltung mit netzseitigem Fußpunkt io.

Im Betrieb der Schaltung stellt das Filter durch die Y-Schaltung beider Kondensatoren einen Schwingkreis dar, der den Schaltstromstoß beim Zünden des Triacs weitgehend aufnimmt und — gegebenenfalls unter Mitwirkung einer Kurzschlußwindung in einer oder in beiden Drosseln — dämpft, und bilden die verkoppelten Drosseln 7, 8 zugleich für die verbleibenden Funkstörspannunger! einen transformatorischen Kurzschluß, so daß der Stromstoß sicher am Durchschwingen gehindert ist und die Schaltung stabil bleibt

In F i g. 2 sind die Ergebnisse einer nach VDE-Bestimmungen (VDE 0875) durchgeführten Störspannungs-Vergleichsmessung dargestellt. In einem logarithmischen Koordinatensystem sind hierzu die gemessenen Störspannungswerte in μν (rechts Abszisse) und der Störpegel in dB (links Abszisse) über der Frequenz in MHz aufgetragen. Die stark ausgezogene Kurve Λ/zeigt den sogenannten Normalstörgrad an, d. h. die nach VDE 0875 für Haushalt und Gewerbe zugelassenen Höchstwerte der Funktstörspannungen.

Verglichen wurde eine Ausführung nach F i g. i mit einer Anordnung mit zwei üblichen LC-Gliedern, bei der also in Reihe zwischen Last und Triac zwei Drosseln hintereinandergeschaltet sind, ein erster Kondensator zum Triac samt der dem Triac am nächsten liegenden Drossel parallel liegt und ein zweiter Kondensator dieses aus den beiden Drosseln, dem Triac und dem ersten Kondensator bestehende Netzwerk überbrückt Es wurden zwei Vergleiehsmeßreihen durchgeführt In der ersten wiesen die Drosseln beider Filter jeweils 0,5 mH, die beiden Kondensatoren jeweils 50 nF auf. Als Last diente jeweils eine 600-W-Lämpe. Kurve 11 entspricht der Vergleichsanordnung, Kurve 12 gibt die Meßwerte der erfindungsgemäßen Ausführung wieder. Wie ein erster Kurvenvergleich zeigt, erzielt bei gleichem Aufwand die hier vorgeschlagene Ausführung wesentlich bessere Entstörwerte. Überdies haben Stabilisierungstests ergeben, daß die Stabilisierungsgrenze von 40 W (Vergleichsanordriung) auf 25 W (erfindungsgemäße Anordnung) gesenkt werden konnte. Zu einer zweiten Meßreihe wurden die beiden Filter folgendermaßen ausgelegt: 2 mH für beide Drosseln und 1OnF für den ersten Kondensator und 15 nF für den zweiten Kondensator. Bei einer 200-W-Last ergaben die ermittelten Werte (Kurve 13 für die Vergleichsanordnung unil Kurve 14 für die erfindungsgemäße Anordnung) ein sehr ähnliches Bild. Ein Vergleich der Stabilitätsgrenzen fällt hierbei noch günstiger aus: 60 W gegenüber 25 W.

F i g. 3 schließlich zeigt eine konstruktive Realisierung des in F i g. 1 mit 4 bezeichneten Funkenstörfilters. Dabei ^pind auf einer Schaltungsplatte in gedruckter Schaltungstechnik, und zwar einer auf Hartpapier aufgebrachten kreisrunden Printplatte 21, die Doppeldrossel 9 und die Kondensatoren 5 und 6 verankert Die Doppeldrossel 9 besteht aus eincni E-Kern 15, auf dessen Außenschenkeln die Teilwicklnngen 16, 17 der jeweiligen Drosseln 7, 8 aufgebracht sind. Die Außenschenkel haben gleiche Magnetisierungsrichtungen, die Teilwicklungen sind gegensinnig gewickelt Der E-Kern 15 ist zusätzlich von einer Kurzschlußwindung 18 umgeben. Die vier Anschlüsse des Filters 4 sind als Anschlußpaare 20 aus der Printplatte 21 herausgeführt Das Filter ist mit weniger als 40 mm Durchmesser insgesamt in Abmessungen gehalten, die eine leichte Unterbringung in einer 55er UP-Dose gestatten. Dabei bleibt noch Raum für das Steuerteil der Phasenanschnittssteuerung und den Dimmer. Besondere Wärmeabfuhrmaßnahmen sind nicht zu ergreifen; die bei dem dargestellten Funkentstörfilter auftretenden Übertemperaturen bleiben, wie Messungen ergaben, stets unter 60⁰C.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt So brauchen die Querkondensatoren nicht unbedingt in asymmetrischer Y-SdHtung mit netzseitigem Fußpunkt eingesetzt zu werden. Insbesondere können zur Erzielung des definierten Kopplungsgrades in der Doppeldrössel auch andere Kernformen, relative Magnetisieruhgsrichtungen und Wicklungssinne verwendet werden, beispielsweise Stabkerne, Ringkerne, Mittelschenkelbewiclclungen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungea

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Funkentstörung, insbesondere für elektrische Helligkeitssteuergeräte zur Steuerung von Glühlampen, bei welcher ein Halbleiterschalter (Triac) in ein erstes Netzwerk einbezogen ist, das mit zwei mit dem Triac in Reihe liegende Drosseln und zwei Querkondensatoren enthält, und ein die Steuerung, vorzugsweise Phasenanschnittssteuerung, bewirkendes zweites Netzwerk parallel zum Triac liegt, dadurch gekennzeichnet, daß beide Drosseln (7, 8) nach Art einer Doppeldrossel (9) derart einander zugeordnet sind, daß sie ein definiertes Maß einer gegenseitigen Kopplung aufweisen, wobei sich die eine Drossel (7) zwischen Last (1) und Triac (2) und die andere Drossel (8) zwischen Netz und Triac (1) befindet, und daß der eine Querkondensator (erster Querkonden5?tor 5) zu dem aus Triac und Doppeldrosscf gebildeten Zweig parallel geschaltet ist und der andere Querkondensator (zweiter Querkondensator 6) den Triac und eine Drossel fiberbrückt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Fußpunkt (10) der beiden Querkondensatoren (:>, 6) netzseitig liegt

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Wahl von stabförmigen Kernen für die beiden Drosseln die beiden Kerne in enger räumlicher Nachbarschaft zueinander parallelliegend mit gleicher Magnetisierungsrichtung angeordnet und gleichsinnig bewikkelt sind.

4. Schaltungsanordnung nach c nem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen der Doppeldrossel auf den Außenschenkeln eines E-Kerns (15) aufgebracht sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Außenschenkel die gleiche Magnetisierungsrichtung aufweisen, jedoch gegensinnig bewickelt sind.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der beiden Drosseln der Doppeldrossel (9) mit einer dämpfend wirkenden Kurzschlußwindung oder einem dämpfend wirkenden Gehäuse oder einer dämpfend wirkenden Metallabschirmung versehen ist.

7. Schaltnungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß seine sämtlichen Bauteile auf einer Schaltungsplatte in gedruckter Leitungstechnik vorzugsweise einer Printplatte (1) auf Hartpapier, verankert sind.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch seine Verwendung in einer Unterputzdose, wobei sämtliche Bauteile des Funkentstörfilters auf einer kreisförmigen, sich in einer zum Dosenboden parallel erstreckenden Schaltungsplatte (21) verankert sind.