DE3836128A1

DE3836128A1 - Helligkeitssteuerschaltung fuer gluehlampen und schaltnetzteile

Info

Publication number: DE3836128A1
Application number: DE3836128A
Authority: DE
Inventors: Guenther Grath; Bodo Arendt; Norbert Donat; Harry Reichstein
Original assignee: Insta Elektro GmbH and Co KG
Current assignee: Insta Elektro GmbH and Co KG
Priority date: 1987-12-12
Filing date: 1988-10-22
Publication date: 1989-07-20

Description

Die Erfindung betrifft eine Helligkeitssteuerschaltung für Glühlampen und Schaltnetzteile gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Insbesondere werden neuerdings in zunehmendem Maße Hellig keitssteuerschaltungen in Verbindung mit Schaltnetzteilen verlangt, um Halogenlampen zu betreiben.

Es gibt bereits dimmbare Schaltnetzteile, bei denen mit Hilfe eines Potentiometers der Einsatzpunkt der selbst schwingenden Halbbrückenschaltung innerhalb der Halbwelle verschoben wird. Diese dimmbaren Schaltnetzteile sind aber nur verwendbar, wenn das Schaltnetzteil in einen Leuchten körper eingesetzt wird, das Potentiometer ebenfalls an diesen Leuchtenkörper befestigt werden kann und die Leuchte selbst in leicht zugänglicher Position für den Bedienenden angebracht werden kann ( z. B. Tischleuchte, Stehleuchte, Wandleuchte). In den Fällen, wo es sich um einfache Deckenleuchten oder Gruppen von Deckenleuchten handelt, um Leuchten in Schienen systemen usw. ist diese Lösung nicht mehr akzeptabel, da die notwendigen Zuleitungen zu dem vom Bedienenden erreichbar ein gebauten Potentiometer separat von der normalen Hausinstalla tion zu führen sind und bei der Gruppenschaltung weitere Änderungen an den Schaltnetzteilen durchzuführen sind und weitere Zuleitungen nötig werden. Hier wäre das Prinzip der Reihenschaltung von Dimmer und Last der sinnvollere und zweckentsprechende Weg. Das Schaltnetzteil be nötigt aber genauso wie der übliche Dimmer Funkentstörmittel, da es die 220 Volt Netzspannung auf eine frequenzhöhere Klein spannung von 12 oder 24 Volt transformiert.

In diesem Zusammenhang gibt es Probleme durch die verwendeten Funkentstörmittel, die bei der Zusammenschaltung von Schalt netzteil und Dimmer eine Hauptreihenresonanz und mehrere Teil resonanzen erzeugen, die zu Fehlfunktionen des Triacs im Dimmer führen und ebenso auch zu unerwünschten Geräuschent wicklungen in Folge Magnetostriktion der durch Laststrom be aufschlagten Drosseln.

Durch Bedämpfung des Serienschwingkreises mit einem Widerstand bzw. Glühlampe wurde bereits versucht, die Resonanzspannungen zu begrenzen. Hiermit ergeben sich jedoch Nachteile wegen der notwendigen Anpassung an die jeweilige Last und der am Wider stand kurzzeitig verbrauchten Leistung, die den Wirkungsgrad deutlich herabsetzt.

Eine Alternative wäre der generelle Verzicht auf die Funkent störmittel, um dadurch den Schwingkreischarakter zu beseitigen. Im Schaltnetzteil (Trafo) darauf zu verzichten, ist nicht durchführbar, da hier zusätzlich auch die HF-Betriebsfrequenz durch Funkentstörmittel abgeblockt werden muß.

Bleibt im Grunde nur der Weg, im Dimmer auf die Funkentstör mittel zu verzichten und damit den Serienresonanzkreis zu unterbrechen. Funkstörungen entstehen beim herkömmlichen Dimmer vor allem dadurch, daß der Triac, je nach Helligkeits stufe irgendwann früher oder später innerhalb jeder Netzhalb welle geschaltet wird, mithin also plötzlich einen hohen Strom fließen läßt und damit eine Sprungfunktion mit entsprechenden Oberwellen erzeugt. Er schaltet selbsttätig wieder aus, wenn die Netzspannung wieder zu Null geht.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, eine Helligkeitssteuerung sowohl für Glühlampen, als auch für Schaltnetzteile zu entwickeln, bei der man auf übliche für Phasenanschnittsteuerungen in Verbindung mit Triacs verwendete Funkentstörmittel verzichten kann und trotzdem eine hinreichende Funkstörspannungsunterdrückung erreicht mit einer zugleich erwirkten Geräuschfreiheit der Steuerschaltung.

Das Ziel dieser Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des An spruchs 1 angegebenen Mittel erreicht.

So wird demzufolge statt des Triacs ein selbstsperrender Feld effekttransistor verwendet. Da der Transistor nur in einer Polarität arbeiten kann, ist zunächst ein Gleichrichter erfor derlich. Bekanntlich arbeitet der Transistor nur dann und so lange, wie er eine Steuerspannung erhält. Wenn die Steuerspannung unterbrochen wird, schaltet er ab, auch wenn noch Netzspannung vorhanden ist.

Beim Triac ist das Ausschalten bei vorhandener Netzspannung nicht ohne weiteres möglich. Diese Besonderheit im Vergleich zum Triac wird dazu benutzt, daß der Feldeffekttransistor gleich zu Beginn jeder Netzspannungshalbwelle Steuerspannung erhält, also eingeschaltet wird.

Irgendwann, je nach Helligkeitswunsch, wird die Steuerspannung abgeschaltet, der Feldeffekttransistor schaltet ab und der Stromfluß wird unterbrochen. Es zeigt sich, daß der Strom nicht mehr plötzlich eingeschaltet wird, sondern allmählich im Verlauf der Netzspannungshalbwelle steigt, bis er zu einem der gewünschten Helligkeit entsprechenden Zeitpunkt abgeschal tet wird. Er wird des weiteren mit einer über die Zeit fallenden Steuerspannung ausgeschaltet. Dadurch entstehen die Funkstö rungen nicht in dem Maße, wie beim Einschalten mit einem Triac, zumal des weiteren die Teilresonanzkreise im Schaltnetzteil auch durch die eingeschaltete Last (Halogen- oder Glühlampe) bedämpft sind. Deshalb kann dann auch auf Funkentstörmittel bis auf eine kleine Drossel verzichtet werden und damit ent fällt die Hauptserienresonanz.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird im folgenden anhand der Zeichnungsfiguren näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild bekannter Art mit vorzugs weiser Darstellung der Reihenresonanz,

Fig. 2 ein Schaltbild für die Helligkeitssteuerschaltung von Glühlampen und Schaltnetzteilen,

Fig. 3 Diagramme der verschiedenen Funktionen, die im Arbeitsbereich der Fig. 2 meßbar sind
a - für U-Dimmer,
b - für 1-Last,
c - für U-Gate;

Fig. 4 die Anordnung mit zwei MOS-FET′S in Serienschaltung,

Fig. 5 die Anordnung mit zwei MOS-FET′S in Parallelschaltung,

Fig. 6 ein Schaltbild für eine beispielhafte Kontrollschal tung,

Fig. 7 eine Anordnung nach Fig. 2 für eine Nebenstellen steuerung,

Fig. 8 Diagramme der verschiedenen Funktionen, die im Arbeitsbereich der Fig. 8 meßbar sind,
a - U-Dimmer,
b - negative Synchronisationsspannung,
c - negativer Ausgangsimpuls,
d - Gatespannung am MOS FET;

Fig. 9 eine Anordnung nach Fig. 4 für eine Nebenstellen steuerung.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der selbstsperrende Feldeffekttransistor T 1 mit Beginn der Halb welle gezündet. Das bedeutet fast keine Störspannung. Damit sind in der Schaltung keine großen Entstörglieder nötig, die über den ganzen Zweig (mit Last)einen Resonanzkreis bilden. Große Werte der Entstörglieder würden, wie eingangs bereits erwähnt, bedeuten, daß Geräusche durch Magnetostriktion auf treten. Die Flankensteilheit beim Abschalten des Feldeffekt transistors T 1 wird durch entsprechende Wahl von R und C (Fig. 2) vorgegeben, bei digitaler Ansteuerung aus der Kontrollschaltung CO, also rechteckförmigem Signal an den Ausgangsklemmen der Kontrollschaltung.

Die Kontrollschaltung CO erhält aus der Halbwellenspannung den Strom durch Aufladen des Pufferkondensators C _P. Diese Spannung an C _P begrenzt durch die parallelgeschaltete Zenerdiode Z, dient als Betriebsspannung U _B für die Kontrollschaltung. Außerdem wird die Spannung U 1 vor der Gleichrichterdiode D an die Kontroll schaltung CO gelegt, damit die Nulldurchgänge der Netzspannung erfaßt werden können.

Für die Kontrollschaltung sind lediglich drei Funktionen zu betrachten:

1. Muß sie im Moment des Nulldurchgangs der Wechselspannung ein Steuersignal geben, das so gepolt ist, daß der selbstsperrende Feldeffekttransistor T 1 die Drain-Source-Strecke durchschaltet;
2. muß die Dauer dieses Signals innerhalb einer Halbwelle regelbar sein und
3. muß das Signal mit geeigneter Flankensteilheit bei seiner Abschaltung gegen Null laufen (im Beispiel durch das RC- Glied gegeben).

Für die Erfindung eignet sich daher z. B. eine Kontroll schaltung nach Fig. 6. Es handelt sich dabei um einen Mono flop, der beim Erscheinen der Spannung am Eingang 1 gesetzt wird und am Ausgang 2 eine Rechteckspannung mit der Höhe der Spannung UB für die Dauer der eingestellten Monoflopzeit ab gibt.

Die Diagramme in Fig. 3a bis c machen die Funktionen der Schaltung nach Fig. 2 deutlich. In Fig. 3a ist U-Dim die am Dimmer anliegende Spannung in der ersten Halbwelle im ausgeschalteten Zustand des Feldeffekttransistors T 1, es folgen zwei weitere Halbwellen mit kurzer Durchschaltzeit (niedrige Helligkeit) und danach zwei Halbwellen mit mittlerer Helligkeit. Fig. 3b - I-Last - zeigt den Strom durch die Last mit der gedämpft abfallenden Ausschaltflanke.

Fig. 3c - U-T 1 Gate - zeigt die Steuerspannung am Gate des Feldeffekttransistors T 1.

Diese Schaltung ist, wie eingangs bereits erwähnt, ebenfalls für eine Glühlampenlast verwendbar und kann problemlos an Stelle eines mechanischen Schalters in der Hausinstallation eingesetzt werden.

Will man die anschließbare Leistung erhöhen, d. h. einen größeren Maximalstrom zulassen, so müssen Anordnungen nach Fig. 4 und Fig. 5 gewählt werden. Dabei zeigt Fig. 4 die Anordnung mit zwei MOS-FET′S-T 1 und T 2 in Serienschaltung und Fig. 5 die Anordnung mit zwei MOS-FET′S-T 3 und T 4 in Parallelschaltung. Nach Fig. 2 fließt der Strom in jeder Halbwelle über zwei Dioden der Gleichrichterbrücke GL und den MOS-FET-Transistor T 1. Man erhält demzufolge einen Leis tungsabfall in der Schaltung entsprechend: i-Last (2 × U Diode + U Trans.).

In Fig. 4 kann der Strom über DC 1 und DC 2 vernachlässigt werden, da es sich hier nur um die Speisespannungsversorgung der Kontrollschaltung CO handelt- Die Dioden D 1 und D 2 sind die integrierten Inversdioden zu MOS-IGBT′S bzw. zu High Injection MOS. Pro Halbwelle durchfließt der Laststrom einen Transistor und eine Diode, z. B. in der ersten Halbwelle T 1 und D 2 und in der zweiten Halbwelle T 2 und D 1, d. h. als Leistungsabfall ergibt sich i-Last (UT + UD); die Verlust leistung ist niedriger als in der Schaltung nach Fig. 2.

Sind in der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 die MOS-FET- Transistoren T 1 und T 2 in Reihe geschaltet, so sind in der nach Fig. 5 vorgeschlagenen Schaltung die Transistoren T 3 und T 4 parallel geschaltet; die Leistungsbilanz ist dieselbe, wie in der Schaltung nach Fig. 4, da die Transistoren - auch wenn sie ohne eine integrierte Inversdiode sind - gegen Um polung und Durchbruch durch eine Diode geschützt werden müssen. Die Leistung beträgt also auch in diesem Fall, wie in der Schaltung nach Fig. 4 i-Last (UT + UD); die als Verlust leistung im Helligkeitsregler abfällt. In der Fig. 6 wurde beispielhaft eine Kontrollschaltung gezeigt, die aus einem mit Hilfe eines Potentiometers POT und zusätzlichem Schalter in der Zeit setzbaren sowie aus- und einschaltbaren Zeitglied besteht. Nach Patentanspruch 4 wird ebenfalls ein speziell zu diesem Zweck entwickeltes integriertes Zeitglied CO ver wendet, das durch einen Taster betätigt wird und dessen Funk tionen - Dimmen und Ein/Aus-Schalten - durch verschieden lange Tastzeiten aufgerufen werden. Soll des weiteren dieses Steuerglied auch über eine Nebenstelle betätigt werden, so benötigt man in der Schaltung nach Fig. 2 einen Optokoppler oder Impulstransformator, um von dem Teil der Schaltung, der galvanisch mit der Nebenstelle verbunden ist, zu dem Teil der Schaltung der potentialmäßig mit den Transistoren verbunden ist, eine galvanisch getrennte Verbindung zu schaffen. Die eigentliche Kontrollschaltung vereinfacht sich dann und das Potentiometer entfällt selbstverständlich, da die Ein schaltzeiten über den Taster eingestellt werden und im Steuer glied jeweils die zuletzt aufgerufene Funktion bis zu einem ändernden Aufruf ausgeführt wird.

Eine Schaltung nach dieser Ausführungsform mit z. B. Impuls transformator zeigt Fig. 7. In Fig. 8 ist anhand von Diagrammen a bis d die Arbeitsweise im Prinzip dargestellt. Die oben angeführte Schaltung ist nur ein Beispiel für einen Hellig keitsregler für Glühlampen und Schaltnetzteile mit Strom durchschaltung, beginnend mit dem Nulldurchgang des Netz sinus und endend mit einer Abschaltflanke zweckentsprechender Steigung.

Bei einem Steuerglied mit positiver Betriebsspannung ist es genauso möglich, Steuerglied und Interfaceschaltung galva nisch auf der Gleichspannungsseite des Brückengleichrichters zusammenzuschalten und Taster sowie Nebenstellentaster auf einen Optokoppler einfachster Art wirken zu lassen.

Die eben beschriebene Schaltung eines Steuerteils mit Neben stellentaster und Taster am Gerät kann in sinnentsprechender Weise ebenso in die Schaltungen nach Fig. 4 und 5 integriert werden. In Fig. 4 eingeflossen, ergibt sich die Schaltungs anordnung nach Fig. 9.

Claims

1. Helligkeitssteuerschaltung für Glühlampen und Schalt netzteile ohne die bei Triac - Dimmern erforderlichen Entstörglieder, dadurch gekennzeichnet, daß ein selbst sperrender Feldeffekttransistor (T 1) in der Diagonalen eines Brückengleichrichters (GL) durch eine Kontroll schaltung (CO) derart gesteuert wird, daß der Feld effekttransistor (T 1) im Nulldurchgang der Wechsel spannung leitet und entsprechend einer einstellbaren Zeit in der Kontrollschaltung (CO) für einen gewünschten Abschnitt der Netzhalbwelle im leitenden Zustand bleibt und danach mit einer zweckentsprechend eingestellten Flanke vor dem Erreichen des nächsten Nulldurchgangs abschaltet (Fig. 2).

2. Helligkeitssteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Leistungsschalter an Stelle eines MOS-FET in der Brückendiagonalen durch zwei MOS-FET′S in Serien- oder Parallelschaltung zur Anschaltung der Last an die Netz-Wechselspannung gebildet wird, dergestalt, daß bei Serienschaltung derartiger Transistoren der eine Tran sistor (T 1) mit integrierter antiparalleler Diode (D 1) in Reihe mit entgegengesetzter Polarität mit einem ebensolchen zweiten Transistor (T 2) mit integrierter antiparalleler Diode (D 2) geschaltet wird (Fig. 4), während bei Parallel schaltung eine Serienschaltung aus einer Diode (D 3) und einem MOS-FET (T 3) antiparallel zu einem ebensolchen Tran sistor (T 4) in Reihe mit einer Diode (D 4) geschaltet wird (Fig. 5).

3. Helligkeitssteuerschaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsgleichspannung (U 1) zur Versorgung der Kontrollschaltung (CO) aus der Halbwellen spannung im nicht durchgeschalteten Abschnitt der Halb welle gewonnen wird.

4. Helligkeitssteuerung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrollschaltung (CO) sowohl aus einem mit Hilfe eines Potentiometers und zusätzlichem Schalter in der Zeit setzbaren sowie aus- und einschaltbarem Zeitglied bestehen kann, als auch aus einem integrierten, mit Speichern und Zählern versehenen, zur eingestellten Zeit Impulse abgebenden Zeitglied mit zugehörendem Inter face, das über die Zeitdauer eines von einem betätigten Taster herrührenden Signals in der Zeit einstellbar als auch aus- und einschaltbar ist, wobei parallel zum Taster am Gerät, der mit einem Pol an einen Leiter der Wechsel spannungsquelle angeschlossen ist, weitere Taster als Nebenstellen angeschlossen werden können (Fig. 6, 7, 8 und 9).