DE4206215A1 - Anordnung zur phasenanschnittsteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Phasenan­ schnittsteuerung gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Schaltungsanordnungen zur Phasenanschnittsteuerung sind in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt und ermöglichen insbesondere in der Lichttechnik die Leistungsaufnahme einer Lampe, LED-Anzeige oder dergleichen, den Erfordernissen entsprechend zu steuern, wobei von den regelmäßig sinusförmig anstehenden Spannungshalbwellen vorgegebene Teile genutzt werden. Hierbei gelangen vor allem Halbleiterbauelemente wie Thyristoren oder Transistoren zum Einsatz, doch die bisher bekannt gewordenen Schaltungsanordnungen erfordern ein großes Bauvolumen. Als Ersatz von Kleinglühlampen oder Signallampen gelangen heute weitgehend Multi-LED′s zum Einsatz, welche sich vor allem durch eine lange Lebensdauer in der Größenord­ nung von 100.000 Stunden auszeichnen, während Kleinglühlampen eine Lebensdauer von ca. 5.000 Stunden aufweisen. Auch die absolute Erschütterungsfestigkeit derartiger Multi-LED′s oder Mehrfachleuchtdioden sowie deren niedrige Stromaufnahme und die hierdurch bedingte niedrige Wärmeentwicklung führen zu deren weiten Verbreitung. Mit Multi-LED′s, welche integrierte Vorwiderstände oder Zenerdioden enthalten, können heute nur Spannungsbereiche zwischen 5 bis 60 V DC/AC abgedeckt werden.

Noch höhere Spannungsbereiche erfordern infolge der erhöhten Leistungsaufnahme größere Bauteile, welche keinesfalls zusammen mit einer Multi-LED in einem Gehäuse untergebracht werden können. Es sei festgehalten, daß es sich insofern um Gehäuseabmessungen in der Größenordnung von 10 mm und einer Länge von ca. 15 mm bis 30 mm handelt. Daher war der Betrieb solcher Multi-LED′s an Spannungen in den üblichen Bereichen von 110 bis 230 V nur in Verbindung mit externen Beschal­ tungen, wie z. B. mittels Widerständen oder Kondensatorschal­ tungen, möglich.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung vorzuschlagen, welche ein geringes Bauvolumen aufweist und wenige Bauteile erfordert. Die Schaltungsanord­ nung soll in ein Gehäuse und Sockel einer LED-Anzeige zu integrieren sein und einen funktionssicheren Aufbau aufwei­ sen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt nach den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise aus und gewährleistet mit wenigen Bauteilen die Realisierung der Phasenanschnittsteuerung. Die Schal­ tungsanordnung kann zuverlässig in der SMD-Technik (surface mounted devices) realisiert werden. Des weiteren kann die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mittels konventionellen Halbleitern, als Asic, als IC oder als Hybrid-Schaltkreis in Dickfilm oder Dünnfilmtechnik ausgebildet sein. Der direkte Anschluß an die Netzspannung ohne Transformator wird ermög­ licht. Unabhängig von der jeweiligen konkreten Ausgestaltung ist die Schaltungsanordnung in gleicher Weise als Schaltnetz­ teil wie auch als Vorschaltglied für Leuchtelemente, insbe­ sondere Leuchtdioden, LED-Anzeigen, Multi-LED′s oder Glühlam­ pen geeignet, wobei der direkte Einsatz in Spannungsbereichen von 110 bis 220 V AC ermöglicht wird. Ohne externe Beschal­ tung können Multi-LED′s oder LED-Anzeigen an Netzspannung von 110 bis 250 V AC angeschlossen werden und ohne weiteres zum Austausch von vorhandenen Leuchtmitteln wie Glühlampen oder Glimmlampen eingesetzt werden. Aufgrund der erheblich länge­ ren Lebensdauer der Multi-LED oder LED-Anzeigen im Vergleich mit Glühlampen oder Glimmlampen wird eine nicht unerhebliche Kostenersparnis im Hinblick auf Austausch und Wartung er­ reicht. Durch geringere Leistungsaufnahme sowie geringe Wärmeentwicklung im Vergleich zu einer Glühlampe ergeben sich weitere Kostenvorteile. Schließlich sei ausdrücklich hervor­ gehoben, daß durch die erfindungsgemäße Multi-LED oder LED mit integriertem Vorschaltglied kein Helligkeitsverlust gegeben ist und somit die funktionssichere Beleuchtung von Tasten, Meldeleuchten oder sonstigen Anzeigeflächen mit geringem Bauaufwand und mit hoher Funktionssicherheit für eine lange Lebensdauer gewährleistet wird. Die Schaltung kann auf einer Platine mit Abmessungen in der Größenordnung 8,3 × 14 mm oder kleiner erfindungsgemäß angeordnet werden. Zweck­ mäßig werden die Vorderseite und Rückseite der Platine bestückt, wodurch eine optimale Platzausnutzung, insbesondere bei Anordnung im wesentlichen in einer Axialebene des zylin­ drischen Gehäuses, erreicht wird. Die vorgeschlagene LED-oder Multi-LED-Anordnung ist erfindungsgemäß der Ersatz für Kleinglühlampen bei direktem Netzanschluß und integrierter Vorschaltelektronik.

Weiterbildungen und besondere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines besonderen Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild der Anordnung,

Fig. 2, 3 axiale Längsschnitte in gegeneinander um 90° gedrehten Schnittebenen durch eine Multi-LED-Anzeige,

Fig. 4 eine Aufsicht auf die Multi-LED-Anzeige.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung kann auf einer Platine aufgebaut sein, welche sehr kleine Abmessungen in der Größen­ ordnung von insbesondere 8,3 × 14 mm aufweist. Es sind zwei Eingänge 1, 2 zum direkten Anschluß an die Wechselspannung von 220 V vorhanden. Ein Transformator ist erfindungsgemäß nicht erforderlich. Zum Schutz gegen Überspannungsimpulse ist der Schaltung eine Transildiode 6 vorgeschaltet. Bezogen auf einen Null-Leiter 8 liefert der Brückengleichrichter 3 an seinen Ausgängen 4, 5 eine pulsierende Spannung, deren Amplitude am Punkt 10 auf den Maximalwert von 320 V im Falle einer Eingangsspannung von 220 V ansteigt. Es sind zwei An­ schlüsse 12, 13 vorhanden, wobei der Anschluß 12 mit dem genannten Punkt 10 verbunden ist. Der Anschluß 13 ist hin­ gegen über einen Transistor 14 und einen Widerstand 15 auf den Null-Leiter 8 geführt. An die beiden Anschlüsse 12, 13 ist ein Leuchtelement 16 in Form einer Multi-LED angeschlos­ sen. Weist eine LED eine Flußspannung von beispielsweise 16 V DC auf, so wird bei einer Multi-LED eine gemäß der LED-Anzahl erhöhte Spannung an Anschlüssen 12, 13 bereitgestellt. Im Rahmen der Erfindung ist wenigstens eine LED vorhanden, wobei bedarfsweise mehrere LED parallel oder seriell ver­ knüpft, insbesondere als Multi-LED vorgesehen sind. Ein zweiter Punkt 20 steht mit dem ersten Punkt 10 über einen Widerstand 22 in Verbindung, welcher hier einen Wert von 200 KOhm aufweist. An den Punkt 20 ist ein Spannungsteil mit zwei Widerständen 24, 25, mit Werten von 300 KOhm bzw. 91 KOhm angeschlossen, deren Verbindungspunkt 26 über eine Zenerdiode 28 auf die Basis eines Vorschalttransistors 30 geführt ist. Des weiteren ist der zweite Punkt 20 über einen Widerstand 30 von 300 KOhm sowie eine weitere Zenerdiode 34 auf den Null-Leiter 8 geführt. Der gemeinsame Punkt 35 zwischen dem Widerstand 32 und der Kathode der Zenerdiode 34 ist einer­ seits mit der Basis des Transistors 14 und andererseits mit dem Kollektor des Vorschalttransistors 30 verbunden. Auf­ grund der Zenerdiode 34 liegt der Punkt 35 bei gesperrtem Transistor 30 auf 10 Volt. Der Transistor 14 ist als ein Feldeffekttransistor vom Typ ZVN0545A/BS3934 ausgebildet, während der Transistor 30 vom Typ BC847C ist. Mit einem minimalen Bauaufwand wird der Einsatz von Bauteilen mit geringen Abmessungen und letztlich der Einbau in das Gehäuse einer Anzeige ermöglicht.

Die Schaltung wird in bevorzugter Weise mit Bauteilen der angegebenen Typenbezeichnung bzw. Werte realisiert, doch kann im Rahmen der Erfindung diese Schaltung auch mit anderen vergleichbaren Komponenten dimensioniert sein, und insbeson­ dere für eine andere Eingangsspannung, bevorzugt 110 V Wech­ selspannung ausgelegt sein. Sie bewirkt eine selbstgetaktete Phasenanschnittsteuerung und stellt ein Schaltnetzteil dar, welches sowohl für die erläuterten LED als auch für andere Einsatzzwecke verwendet und in entsprechender Weise dimen­ sioniert werden kann.

Nachfolgend soll die Funktionsweise erläutert werden. Geht man einmal vom Nullpunkt der pulsierenden Gleichspannung an Punkt 10 aus, so wird mit ansteigender Spannung der Feld­ effekttransistor 14 leitend. An den Anschlüssen 12, 13 und somit der Multi-LED 16 liegt somit Spannung und es fließt folglich ein weitgehend konstanter Strom, welcher beispiels­ weise 90 mA groß ist. Der Transistor 30 ist zunächst noch nicht leitend. Steigt die Spannung am Punkt 10 weiter an und erreicht einen vorgegebenen Wert, so wird infolge des Span­ nungsteilers aus den Widerständen 22, 32 und 24, 25 der Transistor 30 leitend. Der Spannungsteiler und der Transistor 30 sind bei einer bevorzugten Ausgestaltung derart aufeinan­ der abgestimmt und dimensioniert, daß bei einer Spannung von 94 V am Punkt 10 der Transistor 30 durchschaltet. Hierdurch wird der Punkt 35 und somit die Basis des Transistors 14 auf Masse gelegt, mit Folge, daß der Transistor 14 sperrt und durch die LED 16 kein Strom mehr fließen kann. Die am Punkt 10 anstehende Spannung steigt in der Folge bis zu ihrem Höchstwert von 320 V an und gelangt wieder zu der genannten Schaltschwelle von 94 V. Der Spannungsabfall am Widersand 25 wird dann so gering, daß er nicht mehr zum Durchsteuern des Transistors 30 ausreicht, welcher wiederum sperrt. Folglich wird der Transistor 14 wieder angesteuert und an den An­ schlüssen 12, 13 und somit der Mulit-LED 18 liegt wieder Spannung an, welche den konstanten Strom von ca. 90 mA bewirkt.

Die Multi-LED 16 oder allgemein ein an den Anschlüssen 12, 13 angeschlossener Verbraucher und/oder ein Leuchtelement werden periodisch an Spannung gelegt und beim Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes abgeschaltet bzw. beim Unterschrei­ ten wieder eingeschaltet. Dem Leuchtelement 16 werden somit Stromimpulse definierter Größe zugeführt und ihre Lichtaus­ beute gesteigert, ohne daß eine Zerstörung infolge durch Wärmewirkung oder Leistungsverlust zu befürchten ist.

Von besonderer Bedeutung ist die Leistungsreduzierung bei einer Erhöhung der an den Eingängen 1, 2 anstehenden Span­ nung. Gelangen beispielsweise infolge von Störungen der Netzversorgung an die Eingänge 1, 2 wesentlich erhöhte Spannungsspitzen oder dauerhaft erhöhte Spanungswerte von beispielsweise 250 V anstelle von 220 V Wechselspannung, so wird am Punkt 10 der vorgegebene Grenzwert zeitlich früher erreicht, und die Stromflußdauer ist somit kürzer. Entspre­ chend wird nach dem Überschreiten des Maximums der vorgege­ bene Grenzwert zeitlich später erreicht und bis zum Erreichen des Null-Wertes der Spannung wird eine kürzere Zeitdauer benötigt, so daß wiederum die Stromflußdauer kürzer ist. Das Verhältnis der Strominpulse zur Phasendauer wird kleiner und die Leistungsaufnahme geringer und eine Gefährdung oder gar Zerstörung infolge von Überspannungen wird mit Sicherheit unterbunden. Diese besonderen Vorteile kommen gleichermaßen auch bei anderen Einsatzzwecken zum Tragen, und zwar vor allem bei Verwendung als selbstgetaktetes Netzteil.

Fig. 2 zeigt als eine erfindungswesentliche Ausbildung in einem axialen Längsschnitt eine LED-Anzeige mit der Multi-LED 16, welche in ein Kunststoffgehäuse 36 eingesetzt ist. Dieses Gehäuse 36 ist als Kunststoffspritzteil ausgebildet und weist im vorderen Endteil 38 eine im wesentlichen zylindrische Innenfläche 40 auf. In diesem Vorderteil 38 ist die außen gleichfalls zylindrische Multi-LED eingesetzt und bevorzugt dicht verbunden. In das Gehäuse 36 ist ferner eine Platine 42 mit der erläuterten Schaltung integriert. Diese Platine 42 weist eine Breite 44 von 8,3 mm und eine Höhe 46 von 14 mm auf. Die Breite 44 entspricht bevorzugt im wesentlichen dem Innendurchmesser des Gehäuses 36. Die Höhe 46 ist erfin­ dungsgemäß wesentlich größer als die halbe axiale Länge des Gehäuses 36 und beträgt bevorzugt im wesentlichen 3/4 der axialen Länge. Auf dieser Platine ist die oben erläuterte, miniaturisierte Schaltungsanordnung angeordnet, deren als Anschlußdrähte ausgebildete Eingänge 2, 3 zu sehen sind. Die einzelnen Komponenten der Schaltung sind nur schematisch angedeutet, wobei beispielsweise auf die Transildiode 6 verwiesen sei. Ferner ist der Anschlußleiter 17 der Multi-LED 16 und die Verbindung mit dem Anschluß 12 dargestellt, während der andere Anschlußleiter 18 auf der Rückseite mit der Platine 42 verbunden ist.

Fig. 3 zeigt die LED-Anzeige gleichfalls im Längsschnitt, jedoch mit einer bezüglich der Längsachse um 90° gedrehten Position. Hier ist unter anderem auch die Verbindung des Anschlußleiters 18 der Multi-LED 16 mit der Platine 42 zu erkennen. Das Gehäuse 36 weist ein hinteres Endteil 48 mit einer geringeren Wanddicke auf als im vorderen Teil. Das Gehäuse 36 kann mit dem Endteil in eine Hülse eingesetzt werden, welche mit ihrer Stirnfläche an der derart gebildeten Stufe 50 anliegt. Diese Hülse ist zweckmäßig als ein Sockel ausgebildet, welcher die üblichen Abmessungen von Glühlampen aufweist, so daß problemlos eine derart aufgebaute Multi-LED-Anzeige mit Sockel und integrierter Schaltung gegen eine handelsübliche Glühlampe bzw. Kleinglühlampe ausgetauscht werden kann. Die für die Versorgung vorgesehenen Eingänge 1, 2 bzw. die entsprechenden Anschlußdrähte sind wie bei den Glühlampen mit dem Metallsockel bzw. dem Mittenkontakt am Sockelende verbunden.

Fig. 4 zeigt eine Aufsicht in Längsrichtung, wobei die Multi-LED nicht dargestellt ist. Es ist hier gut die auf beiden Seiten mit den elektronischen Komponenten versehene Platine 42 zu erkennen. Die Platine ist in der Mitte des aus Kunst­ stoff bestehenden Gehäuses 36 angeordnet, und zwar im wesent­ lichen in einer Axialebene. Das Gehäuse 36 enthält versetzt zu den Längskanten 52, 53 der Platine 42 mit radialen Erwei­ terungen 54, 55. Die Breite 44 der Platine 42 entspricht praktisch dem Innendurchmesser 56 des Gehäuses 36, welches aufgrund der Erweiterungen 54, 55 einerseits die hinreichende Stabilität und andererseits aber auch im inneren hinreichend Bauvolumen für die Platine mit der Schaltung zur Phasenan­ schnittsteuerung aufweist.

Bezugszeichen

 1, 2 Eingang
 3 Brückengleichrichter
 4, 5 Ausgang
 6 Transildiode
 8 Null-Leiter
10 erster Punkt
12, 13 Anschluß
14 Transistor, Typ ZVN0545A/BS3934
15 Widerstand
16 Multi-LED
17, 18 Anschlußleiter
20 zweiter Punkt
22, 24, 25 Widerstand
26 Verbindungspunkt
28 Zenerdiode
30 Vorschalttransistor, Typ BC847C
32 Widerstand
34 Zenerdiode
35 Punkt
36 Gehäuse
38 Vorderteil
40 zylindrische Innenfläche
42 Platine
44 Breite
46 Höhe
48 Endteil
50 Stufe
52, 53 Längskante
54, 55 Erweiterung
56 Innendurchmesser

Claims (12)

1. Anordnung zur Phasenanschnittsteuerung enthaltend einen an eine Wechselspannung anschließbaren Gleichrichter sowie ein Halbleiterelement,
dadurch gekennzeichnet, daß das bevorzugt als Transistor (14) ausgebildete Halbleiterelement sowie ein Verbraucher oder Leuchtelement, insbesondere eine LED oder eine Multi-LED (16), in Reihe an die Ausgänge (4, 5) des Gleichrichters (3) angeschlossen sind,
daß der Transistor (14) solange leitend ist wie die an den Ausgängen (4, 5) anstehende Spannung einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet
und daß nach dem Überschreiten des Grenzwertes der Transistor (14) gesperrt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher bzw. die Anschlüsse (12, 13) in Reihe mit der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors (14) liegen, wobei die Emitter über einen Widerstand (15) mit dem auf dem Gleichrichter (3) geführten Null-Leiter (8) verbunden ist, und daß die Basis des Transistors einerseits über eine Zenerdiode (34) mit dem Null-Leiter (8) und andererseits über einen Spannungsteiler enthaltend Widerstände (32, 22) mit dem anderen Ausgang (4) des Gleichrichters (3) verbunden ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Transistor (14) ein Vorschalttransistor (30) vorge­ schaltet ist, dessen Basis über einen Widerstand (25) mit dem Null-Leiter (8) verbunden ist, wobei dieser Widerstand (25) mit zwei weiteren Widerständen (24, 22) einen Spannungsteiler bildet und mittels den genannten Widerständen der genannte Grenzwert vorgebbar ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Transistors (14) und der Kollektor des Vorschalttransistors (30) miteinander verbunden sind und/oder daß die Basis des Transistors (14) über eine Zenerdiode (34) mit dem Null-Leiter (8) verbunden ist, wobei mittels der Zenerdiode (34) die Basis des Transistors (14) auf einer vorgegebenen Spannung gehalten wird, solange der Vorschalttransistor (30) sperrt.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Verwendung als Vorschaltglied in der Lichttechnik, insbesondere für Leuchtdioden, LED-Anzeigen, Multi-LED′s oder Glühlampen, und zwar bevorzugt für Spannungsbereiche von 110 bis 250 V Wechselspannung.

6. Anordnung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Integration in ein Gehäuse (36), in welchem ferner die Leuchtdiode, LED-Anzeige, Multi-LED (16) oder Glühlampe angeordnet ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Leuchtelement im vorderen Teil des im wesentlichen zylindrischen Gehäuses (36) angeordnet ist, welches bevorzugt mit seiner im wesentlichen zylindrischen Außenfläche an der entsprechenden Innenfläche des Gehäuses (36) anliegt.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (36) aus Kunststoff besteht und insbesondere als ein Kunststoffspritzteil ausgebildet ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (36) ein hinteres Endteil (48) mit einem verringerten Außendurchmesser aufweist, wobei das Endteil (48) in einen bevorzugt aus Metall bestehenden Sockel einsetzbar ist.

10. Anordnung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Platine (42) zur Aufnahme der genannten elektronischen Bauteile, und zwar insbesondere der Transistoren (14, 30), der Widerstände (15, 22, 24, 25, 32) sowie der Zenerdioden (28, 34) vorgesehen ist und/oder in das Gehäuse (36) integriert ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Platine (42) eine Breite (44) von im wesentlichen 8,3 mm sowie eine Höhe (46) von im wesent­ lichen 14 mm oder kleiner aufweist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußleiter (17, 18) des Leucht­ elements (16) auf die Platine (42) geführt und mit entspre­ chenden Leiterbahnen bzw. den Anschlüssen (12, 13) verbunden sind.