DE3045631A1

DE3045631A1 - Einrichtung zum automatischen nachstellen der, einem verbraucher zugefuehrten, elektrischen energie

Info

Publication number: DE3045631A1
Application number: DE19803045631
Authority: DE
Inventors: Kiyoto Nagasawa; Yuzi Tokyo Narumi
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1979-12-03
Filing date: 1980-12-03
Publication date: 1981-09-17
Also published as: JPS5679310A; JPS6329287B2; US4360783A; DE3045631C2

Description

DR. BERG _:" DIPÜ-ING. STAPF!' : ; 0/#<*^/ ί DIPL.-ING. SCHWA&E^:' - - DR.ixR. SAND.M^:AJR

Postfach 8602 45 · 8000 München 86

•3·

Anwaltsakte: 31 269

Ricoh Company, Ltd. Tokyo/Japan

Einrichtung zum automatischen Nachstellen der einem Verbraucher zugeführten, elektrischen Energie

vii/xx/Ha 130038/0636

«(089)988272 lUegnunme: Bankkonten: Hypo-B»nk München 4410122850

911273 BERQSTAPFPATENT München (BLZ 70020011) Swill Code: HYPO DE MM

9*1274 TELEX: Biyec Vereinsbank Mflnchen 453100 (BLZ 70020270)

η3310 0524560BfROd Postscheck München 65343-808 (BLZ 70010080)

Anwaltsakte: 31 269

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum automatischen Nachstellen der einem Verbraucher zugeführten, elektrischen Energie und betrifft insbesondere eine Einrichtung zum automatischen Regulieren der einem Verbraucher, wie beispielsweise einer Lampe, zugeführten Energie auf einen vorbestimmten Wert. Ohne auf diese Anwendung beschränkt zu sein, eignet sich die Einrichtung insbesondere zum Regulieren der elektrischen Energie, die einer Vorlagen-Beleuchtungslampe in einem elektrostatischen Kopiergerät zugeführt wird.

Schwankungen in der einer solchen Lampe zugeführten Energie haben eine Änderung der Lichtstärke der Lampe und damit des Schwärzungsgrades einer mittels des elektrostatischen Kopiergeräts hergestellten Kopie zur Folge. Kurzzeitige Veränderungen aufgrund von NetζSchwankungen u.a. haben einen örtlich festgelegten, ungleichmäßigen Schwärzungsgrad auf einer einzelnen Kopie zur Folge. Verschiedene Versuche, eine genaue Regulierung der LampenIeistung zu schaffen, wurden angestellt, um diese unerwünschte Erscheinung zu beseitigen; jedoch ist keiner dieser Versuche bisher erfolgreich gewesen.

130038/0635

Die Erfindung soll daher eine Einrichtung zum automatischen Nachstellen der einem Verbraucher zugeführten elektrischen Energie schaffen, bei welcher die Nachteile der bisherigen Einrichtungen beseitigt sind. Gemäß der Erfindung ist dies bei einer derartigen Einrichtung durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben .

Gemäß der Erfindung wird eine Effektivspannung an einem Verbraucher, wie beispielsweise einer Lampe_; mittels eines Feldeffekttransistors quadiert, um eine Ausgangsspannung zu schaffen, welche sich proportional zu der von dem Verbraucher aufgenommenen Leistung ändert. Eine Triggerphase eines Thyristors, welcher zwischen die WechselSpannungsquelle und den Verbraucher geschaltet ist, wird automatisch in der Weise geändert, daß die Ausgangsspannung und damit die Leistung an der Lampe auf einen gewünschten Wert nachgestellt bzw. reguliert werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig.1 und 2 Diagramme zur Erläuterung der Erfin

dung ;

130038/0638

- Sr-

Fig.3 ein Blockschaltbild einer bevorzugten

Ausführungsform der Erfindung; und

Fig.4 in Form eines Ablaufdiagramms die Ar

beitsweise der Einrichtung nach Fig.3

Bekanntlich hängt die Lichtabgabe einer Wolframlampe sehr stark von der Spannung ab. Wenn, wie in Fig.1 dargestellt, eine Wolframlampe L mit einer Wechselspannungsquelle PS verbunden ist und angeschaltet wird, kann die Leistung P der Lam-

E²
pe L ausgedrückt werden als P = =— , wobei E die Effektivspannung der Wechselspannungsquelle PS und R der Widerstand der Lampe L ist. Aus dieser Gleichung ist zu ersehen, daß sich die Leistung P proportional zu dem Quadrat der Quellenspannung E ändert. In der Praxis ist der Exponent 2 oder kleiner, da der Widerstand R der Lampe L einen positiven Temperaturkoeffizienten hat. Jedoch führt eine Schwankung in der Leistung P der Lampe zu einer Farbtemperatur, und folglich kann sich die spektrale Verteilung der Lampe ändern, so daß der vorerwähnte Exponent in Abhängigkeit von dem in Betracht gezogenen Wellenlängenbereich über 2 hinaus zunehmen kann. Wenn das in Fig.1 dargestellte Lampenspeisesystem beispielsweise in einem Kopiergerät verwendet wird, führt eine Schwankung der Speisespannung um _+10% zu einer Änderung im Lichtstrom der Lampe von etwa j^30%, was verschiedene ungünstige Erscheinungen, wie beispielsweise eine Unregelmäßigkeit im Schwärzungsgrad von wie-

13ÖÖ38/Q63S

- tr- J-

dergegebenen Bildern, zur Folge hat. Folglich wird eine hohe Konstanz bei der Lichtabgabe einer Lampe, wie sie bei verschiedenen Anwendungen gefordert wird, im allgemeinen dadurch erhalten, daß ein Konstanthalter zwischen eine Energiequelle und eine Lampe geschaltet wird, um dadurch die Lampenspannung auf einem konstanten Wert zu halten. Bei Kopiergeräten u.a. wird im allgemeinen gefordert, bei einer Schwankung von ^15% der Spannungsquelle die Schwankung der Lampenspannung innerhalb von +_5% oder kleiner zu halten.

Im allgemeinen wird zum Konstanthalten einer Lampenspannung ein Phasensteuersystem mit einem TRIAC u.a. verwendet, und im allgemeinen eine der folgenden drei Einrichtungen benutzt, (1) eine Einrichtung, welche den Mittelwert der Lampenspannung (oder des -Stroms) feststellt und diesen Mittelwert konstant hält; (2) eine Einrichtung, welche unter Ausnutzung der Nichtlinearität von Diodan u.a. den ungefähren Effektivwert der LampenSpannung feststellt und diesen konstant hält, und (3) eine Einrichtung, welche den Effektivwert der Lampenspannung oder des -Stroms feststellt und diesen konstant hält.

Die Lichtabgabe einer Lampe hängt von den Effektivwerten der Spannung und des Stroms ab. Mit anderen.Worten, die Lichtabgabe kann nicht konstant gehalten werden, wenn nicht der Effektivwert der Spannung und des Stroms der Lampe konstant gehalten werden. Bei einer sinusförmigen Welle können der Effektivwert und der Mittelwert ausgedrückt werden als

130038/0638 " ⁷ "

Mittelwert _ 2 ]f?
Effektivwert π

Dieses Verhältnis ist ein konstanter Wert, solange die Wellenform dieselbe bleibt, und folglich muß, um den Mittelwert konstant zu halten, der Effektivwert konstant gehalten werden.

Der vorerwähnte Konstanthalter versagt jedoch, wenn eine konstante Beziehung zwischen dem Effektivwert und dem Mittelwert erhalten bleiben soll, wobei sich diese entsprechend der Wellenform der Lampenspannung und des -Stroms ändern kann, da aufgrund der Verwendung eines Phasensteuersystems die Wellenform hinsichtlich einer sinusförmigen Welle beträchtliche Verzerrungen aufweist. Somit kann mit den Einrichtungen (1) und (2) die erforderliche Genauigkeit nicht erhalten werden. Bei der Einrichtung (1), bei welcher der Mittelwert der Lampenspannung oder des -Stroms festgestellt wird, schwankt die Lichtabgabe einer Lampe um jM0% oder mehr, wenn die Quellenspannung sich um +^10% ändert. Mit der Einrichtung (2) kann in etwa ein genaues Äquivalent zu dem, was mit einem den Effektivwert feststellenden System erhalten werden kann, in einem Bereich erhalten werden, in welchem die PhasenSchwankung verhältnismäßig klein ist; jedoch kann eine ausreichende Genauigkeit bei einem großen Phasenschwankungsbereich nicht gewährleistet werden. Außerdem wird bei der Einrichtung (2) eine unverhältnismäßig komplizierte Schaltungsanordnung benötigt. Unter Zugrundelegung des den Effektivwert feststellenden Systems kann bei der Einrichtung (3) eines von drei bekannten Systemen verwendet ^werdgn. nämlich (aL ^e^ⁿ System, bei wel-

— & —

ehern eine Lampe benutzt wird; (b) ein System, bei welchem die Wärmeerzeugung einer Lampe ausgenutzt wird, und (c) ein System, welches die Effektivwerte durch Berechnung festsetzt. Von diesen Systemen spricht das System (a) zu langsam an und erfordert eine Wartung bei einem Ausfall der Lampe oder bei deren Verschmutzung; auch das System (b) spricht zu langsam an. Das System (c) erfordert einen komplizierten Aufbau,wodurch dessen Kosten ansteigen, obwohl es genau arbeitet.

Gemäß der Erfindung ist daher ein System zum Regulieren der Leistung an einem Verbraucher geschaffen, bei welchem die Leistung trotz eines verhältnismäßig einfachen Aufbaus unter Ausnutzung der Nichtlinearität eines Feldeffekttransistors mit hoher Genauigkeit konstant gehalten wird. Die Erfindung wird nunmehr anhand der Fig.2 bis 4 beschrieben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welche nachstehend beschrieben wird, wird unter Zugrundelegung eines Phasensteuersystems die Spannung festgestellt. In Fig.2 sind die Wellenform des Stroms und der Spannung einer Wolframlampe dargestellt. Mit dem erfindungsgemäßen System wird die Lampenspannung durch Verändern des in Fig.2 dargestellten Abschaltphasenwinkels Ö konstant gehalten. Bei der Wellenform in Fig.2 hängt das Verhältnis r des Mittelwertes zu dem Effektivwert von dem Abschalt-Phasenwinkel θ ab, und das Verhältnis r läßt sich folgendermaßen ausdrücken:

130038/0635 - ⁹ -

Mittelwert _ £f* 1 + cos θ
Effektivwert ~ π * .,—^-

k ^sin ^2B

Folglich nimmt das Verhältnis r mit dem Phasenwinkel θ zu. Die LampenIeistung P läßt sich ,wie bereits ausgeführt,ausdrücken als P = E²./R . Jedoch kann die Lampenleistung P durch den Mittelwert E ausgedrückt werden, da E=E_a/r ist. Folglich

A A

hängt die Lampenleistung P von dem Verhältnis r ab und kann folgendermaßen ausgedrückt werden:

P = E*/r²R. Dies bedeutet, daß die Lampenspannung P von dem Phasenwinkel θ abhängt. Folglich kann die Lampenleistung P nicht auf einem konstanten Wert gehalten werden, wenn sich der Phasenwinkel θ ändert. Um die Lampenspannung P (d.h. die Lichtabgabe) über einen großen Schwankungsbereich der Quellenspannung konstant zu halten, muß der Abschalt-Phasenwinkel & über einen großen Bereich geändert werden, und in diesem Fall kann dann das System, das den Mittelwert E- feststellt, nicht die notwendige Stabilität schaffen. Wie jedoch die Gleichungen zeigen, kann die Lampenleistung P unabhängig von dem Phasenwinkel θ (oder dem Verhältnis r) konstant gehalten werden, indem der Effektivwert E konstant gehalten wird.

Die Ausführungsform der Erfindung ist entsprechend ausgelegt, um die Effektivspannung E der Lampe mittels eines Feldeffekttransistors festzustellen, so daß ein genaues Konstanthalten der Lichtabgabe erreicht ist, während gleichzeitig ein ausreichendes Ansprechen und eine ausreichende Zuverlässigkeit

13ÖÖ38/O63S - ₁₀-

und Betriebssicherheit gewährleistet ist. In Fig.3 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Spannung einer Wolframlampe L wird mittels eines die Lampenspannung feststellenden Transformators T festgestellt, die Spannung wird dann mittels einer Gleichrichterschaltung REC vollweggleichgerichtet und dann mittels Widerständen R₁ und R- geteilt. Die geteilte Spannung wird an die Steuerelektrode G eines Feldeffekttransistors FET angelegt* Der Transistor FET erhält an seiner Quellenelektrode S eine Vorspannung V , welche den Senkenstrom I im wesentlichen null macht, wenn die Spannung V_G an der Steuerelektrode null ist, und an seiner Senkenelektrode D liegt über einen Widerstand R_ eine konstante Gleichspannung V_cc an. Die Widerstände R₁ und R, haben solche Widerstandswerte, daß sie die Steuerspannung V-, so festlegen, daß verhindert wird, daß der Scheitelwert der Steuerspannung V_G über die Spannung V„_s zwischen der Steuer- und der Quellenelektrode hinaus ansteigt. Bekanntlich kann der Senkenstrom I_n innerhalb eines bestimmten Bereichs so, wie nachstehend angegeben, angenähert werden:

I=I M-V /V)²
D DSS ^K GS P

wobei V- die Sperrspannung des Feldeffekttransistors FET und ¹DSS ^{der Senkenstrom 1}D ^ist' welcher anliegt, wenn die Spannung ν_ηα null ist. Da -V = V_o und V.. = V - V ist, kann

«ö p S KaO g S

der Senkenstrom I ausgedrückt werden als:

130038/0636 - n -

♦ Ψ m

Folglich wird die Ausgangsspannung V₀ des Feldeffekttransistors FET erhalten als:

^V° ^{= VcC} - ¹D^S ^{= V}CC " ^KV^R3 wobei K = ^f^ ist.

Die Ausgangsspannung V_Q enthält folglich einen Anteil/ welcher proportional dem Quadrat der Eingangsspannung V des Feldeffekttransistors ist. Wenn dieser Anteil mittels eines Integrators INT integriert (geglättet) wird, schafft dieser Anteil eine Gleichspannung V, die proportional dem Quadrat der Eingangs spannung V ist. Diese Spannung V₇. kann als ein Äqui-

g L

valent des Effektivwertes der Lampenspannung betrachtet werden. In einer Schaltung, die einen Verstärker A und Widerstände R₆ bis Rg aufweist, wird die Gleichspannung V mit einer Bezugsspannung V_, verglichen, die durch Widerstände R- und R_c festig HO

gelegt ist, und dann wird eine der Differenz entsprechende Gleichspannung erzeugt. Diese Ausgangs-Gleichspannung wird über Widerstände R_g und R._Q zusammen mit einer von einem Sägezahngenerator SWG erzeugten Sägezahnschwingung an einen Vergleicher COMP angekoppelt. Entsprechend einem Ausgang des Vergleichers COMP erzeugt ein Triggerimpulsegenerator PG einen Triggerimpuls zu dem Zeitpunkt, wenn die Ausgangsspannung des Verstärkers A unter die Kippschwingung abfällt. Durch den Triggerimpulse wird ein Thyristor oder ein TRIAC TRC angeschaltet, so daß die Abschaltphase des Wechselstroms von der

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Wechselstromquelle PS zu der Lampe L gesteuert wird. Wie aus Fig.4 zu ersehen, wird die Sägezahnwelle synchron zu dem Ausgang der Wechselstromquelle PS gehalten, und der eine Phase 9 erzeugende Triggerimpuls hängt von der Amplitude der Ausgangsspannung des Verstärkers A ab.

Nunmehr soll die Spannung an der Lampe L aus irgendeinem Grund angestiegen sein. Proportional steigt dann auch die Eingangsspannung V an dem Feldeffekttransistor FET an, wodurch dessen Ausgangsspannung V_Q in einem Verhältnis abnimmt, das gleich der Zunahme des Effektivwertes der Eingangsspannung V ist. Dadurch wird dann auch die Ausgangsspannung V- des Integrators INT kleiner. Der Vergleicher A vergleicht die Spannung V₁. mit der Bezugs spannung V-, und seine Ausgangs spannung wird entsprechend der Differenz größer. Der Ausgang des Verstärkers A wird durch den Vergleicher COMP mit dem Ausgang des Sägezahngenerators SWG verglichen. Schließlich wird die Phase der Triggerimpulse, die von dem Triggerimpulsegenerator PG anliegen, in einer Richtung verschoben, um die in Fig.4 dargestellte Phase» θ zu vergrößern, so daß die an die Lampe L angelegte Spannunng niedriger wird. Wenn dagegen die Lampenspannung niedriger geworden ist, wird der Abschalt-Phasenwinkel 6 des TRIACS TRC verkleinert, worauf dann die Lampemspannung ansteigt.

Somit kann das dargestellte System entsprechend betrieben werden, um die Spannung V_T bezüglich der Bezugsspannung V_ auszu-

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gleichen. Da die Spannung V- proportional dem quadrierten Mittelwert der Spannung V , d.h. dem Quadrat der effektiven Lampenspannung ist,, wird der Effektivwert der Lampenspannung immer auf einem konstanten Wert gehalten, der proportional zu der geforderten Leistung ist. Folglich bleibt auch die Lampenleistung unabhängig von der Wellenform konstant, so daß die von der Lampe L abgegebene /.Lichtstärke konstant bleibt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine verhältnismäßig einfache Schaltungsanordnung ausreicht, da der Effektivwert mit einem einzigen Element/ nämlich einem Feldeffekttransistor festgestellt wird. Folglich kann das dargestellte System auch als Dimmer oder Helligkeitseinsteller verwendet werden, da die Lampenspannung durch Ändern der Bezugsspannung V„ geändert werden kann.

Obwohl die Erfindung in Verbindung mit einem System dargestellt und beschrieben worden ist, bei welchem der Effektivwert der Lampenspannung festgestellt wird, kann sie auch bei einem System angewendet werden, bei dem der Effektivwert des Lampenstroms festgestellt wird. Bei einer derartigen Anwendung wird eine Verarbeitung, die ähnlich der beschriebenen ist, durchgeführt, nachdem der Lampenstrom über Widerstände u.a. in eine Spannung transformiert worden ist. Mit der Erfindung kann ferner eine konstante Leistung irgendeines anderen Verbrauchers sowie die Lampenleistung konstant gehalten werden. Wie den vorstehenden Ausführungen zu entnehmen ist, hat gemäß der Erfindung eine Einrichtung zum Konstanthalten eines Ver-

130038/0635 - n

- yi -•/15-

braucherstroms ein ausgezeichnetes Ansprechverhalten,eine hohe Zuverlässigkeit und Genauigkeit und läßt sich mit einer verhältnismäßig einfachen Schaltungsanordnung realisieren.

Ende der Beschreibung

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Claims

DR. BERG : Dl'PL^:.-INö. DIPL.-ING. SCHWAEE^: 'i

PATENTANWÄLTE Postfach860245-8000München86

Anwaltsakte: 31 269

Patentansprüche

./Einrichtung zum automatischen Nachstellen der einem Verbraueher zugeführten, elektrischen Energie auf einen vorbestimmten Wert, gekennzeichnet durch eine Energiequelle (PS) zum Anlegen eines elektrischen Spannungssignals an den Verbraucher (L), durch eine Fühleinrichtung (T, REC) zum Feststellen einer Effektivspannung an dem Verbraucher (L), durch eine Quadriereinrichtung (FET) zum Erzeugen einer Ausgangsspannung (V₀), welche sich im wesentlichen proportional zu dem Quadrat der Effektivspannung ändert, und durch eine Einstelleinrichtung zum Ändern des elektrischen Spannungssignals, das durch die Energiequelle (PS) an den Verbraucher (L) in der Weise angelegt wird, daß die Ausgangsspannung auf einen vorbestimmten Spannungswert eingestellt wird, welcher dem vorbestimmten Energiewert entspricht.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,daß das elektrische Spannungssignal ein Wechselspannungssignal ist, und daß die Einstelleinrichtung eine Schalteinrichtung (TRC) aufweist. 13ÖÖ38/0ß38 -2-

Bankkonlcn: Hypo-ßank München 4410122850 (BLZ 70020011) Swift Code: HYPO DE MM Bayec Vereinstank München 453100 (BLZ 70020270) Postscheck München 653 43-808 (BLZ 700100 80)

ORIGINAL INSPECTED

»(089)988272 Tetejramme: 9t 12 73 BEROSTAPFPATENT Manchen M U 74 TELEX: 9« 3310 0524560 BERQ d
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung einen Thyristor aufweist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quadriereinrichtung einen Feldeffekttransistor (FET) aufweist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleinrichtung einen Gleichrichter (REC) aufweist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Integrator (INT), der zwischen die Quadriereinrichtung (FET) und die Einstelleinrichtung geschaltet ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung entsprechend ausgelegt ist, um das elektrische Spannungssignal durch Ändern der Triggerphasen des Thyristors entsprechend zu ändern.

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