DE3836128A1 - Helligkeitssteuerschaltung fuer gluehlampen und schaltnetzteile - Google Patents
Helligkeitssteuerschaltung fuer gluehlampen und schaltnetzteileInfo
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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;
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;
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 (4)
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).
Priority Applications (10)
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