DE4238471C2

DE4238471C2 - Schutzschaltung mit Überstrom- und Überspannungserkennung in Schaltnetzteilen für Wechselspannungs- und Gleichspannungs-Anschluß, insbesondere für den Betrieb von Niedervolthalogenlampen

Info

Publication number: DE4238471C2
Application number: DE4238471A
Authority: DE
Inventors: Bodo Arendt; Joerg Piel; Joachim Funk
Original assignee: Insta Elektro GmbH and Co KG
Current assignee: INSTA ELEKTRO GMBH, 58511 LUEDENSCHEID, DE
Priority date: 1992-11-14
Filing date: 1992-11-14
Publication date: 2001-05-31
Anticipated expiration: 2012-11-15
Also published as: DE4238471A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzschaltung für ein Schaltnetzteil für den Betrieb von Niedervolthalogenlampen.

Es wird eine Schutzschaltung für Schaltnetzteile, die mit Niedervolthalogenlampen belastet werden, beschrieben, die sehr vorteilhaft auf zu hohen Laststrom als auch auf zu hohe Betriebsspannung reagiert, und die sowohl bei An schluß des Schaltnetzteils an eine 230 V-Wechselspannungs quelle, als auch an eine Gleichspannung gleicher Größe die vorher genannten Schutzfunktionen garantiert.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf Prinzip schaltungen zurückgegriffen, wie diese in den Fig. 1 und 3 als Halbbrückenwandler dargestellt sind. Die Betriebs spannung U_B wird nicht aus einer Spitzengleichrichtung ge wonnen, sondern lediglich der Doppelweggleichrichtung ent nommen. Sie besteht aus einer Gleichspannung positiver Halb wellen und vermeidet damit Oberwellen des Netzstromes. Über R₁ wird zu Beginn jeder Halbwelle der Zündkondensator C1 aufgeladen. Wird die Zündspannung des Diac D überschritten, so kommt über den Diac ein Stromimpuls auf die Basis des Transistors T2, der einen über TR, TB und Kollektorstrecke T2 zur Folge hat. Die Eigenschwingung mit wechselseitigem Schließen der Transistoren T1 und T2 beginnt. Die Frequenzen der Schwingung hängt von der gewählten Sättigung des Übertragers TB ab. Nähert sich die Spannung U_B am Ende der Halbwelle dem Wert Null, so kann aufgrund der dann verringerten Basisspannung und kleinen Basisstromes die Schwingung nicht mehr aufrechterhalten werden. Sie reißt ab. Mit der nächsten Halbwelle wird C1, der während der Schwingung über die Diode auf Null-Potential entladen wurde, sofort wieder aufgeladen und der Zyklus beginnt von neuem.

Die Schutzschaltung für Kurzschluß- und überhöhte Ströme greift nach Fig. 1 die überhöhte Spannung am Widerstand RS ab. (Es könnte auch, wie in Fig. 3, der Emitterwiderstand RS sein.) Diese Schutzschaltung besteht in der einfachsten Form, wie bekannt, aus einer Diode, einem nachgeschalteten T-Glied (R_A, C1, R_E) und darauf folgend einem Transistor, dessen Kollektor-Emitterstrecke parallel zum Zündkondensator C1 liegt. Das T-Glied besitzt eine kurze Aufladezeitkonstante und eine lange Entladezeitkonstante. In Fig. 2 tritt am Punkt K der Kurzschluß ein, das C1 der Kurzschlußschaltung wird schnell aufgeladen, die Kollektorstrecke des Transistors schließt. Allerdings wird der Kurzschlußstrom noch über die Zeitdauer der Halbwelle weiterfließen. Danach erfolgt keine Schwingung mehr, da C1 kurzgeschlossen. Der Kondensator C1 wird über R_E und die Basis-Emitter-Strecke des Transistors langsam entladen. Schließlich wird bei niedriger Spannung an C1 der Widerstand der Kollektor-Emitterstrecke des kurzschließenden Transistors zunehmend höher und damit eine Aufladung des Zündkondensators C1 wieder möglich. Der eben geschilderte Vorgang wiederholt sich. Selbstverständlich ist die Zeit Tp, das heißt Sperrzeit, abhängig von der Höhe des überhöhten Stromes. Bei Kurzschluß ist die aufgeladene Spannung am C1 sehr hoch und damit auch die Entladezeit, die identisch mit der Sperrzeit Tp ist. Aus obigem ist bereits ersichtlich, daß diese Schutzfunktion nicht greift, wenn das Gerät an einer Gleichspannung angeschlossen ist. Da keine Null-Durchgänge der angelegten Spannung vorhanden sind, erfolgt auch kein zwangsweises Abreißen der Schwingung. Das Gerät schwingt mit überhöhtem Strom bis zur Zerstörung.

Durch die DE 42 01 744 A1 ist eine Schaltung Stand der Technik geworden, die einen Zündkondensator aufweist, der während einer Sperrzeit kurzgeschlossen wird. Dieser Zündkondensator hat zwar, wie bei der vorliegenden Erfindung auch, die Funktion, während einer Sperrzeit kurzgeschlossen zu werden, jedoch wird zeitgleich zu dem Zündkondensator während der Sperrzeit die Steuerelektrode des Schaltelements kurzgeschlossen. Diese Maßnahme ermöglicht die Funktion der Schutzschaltung auch bei Betrieb des Schaltnetzteils an Gleichspannung. Durch die Schaltung erfolgt eine zwangsweise Unterbrechung der Schwingung in jeder Netzhalbwelle zur Vermeidung einer kontinuierlichen Schwingung. Diese bekannte Schaltung ist deshalb nicht geeignet, als Schutzschaltung für den Betrieb eines Schaltnetzteils an Wechsel- und Gleichspannung zu dienen.

In Fig. 3 wird eine anders geartete Schutzschaltung gemäß EP 0 466 031 A1 verwendet. Ab einer bestimmten Spannungsschwelle an R_S wird eine Selbsthalteschaltung (Thyristor oder 2 Transistoren) eingeschaltet. Es wird dafür gesorgt, daß die Selbsthalteschaltung an einer Versorgungsspannung liegt, die am Ende der U_B-Halbwelle sehr nahe an Null liegt und damit der Haltestrom unterschritten wird. Während der Selbsthaltung schließen geeignete Komponenten die Basisspannung von Transistor T2 kurz und den Kondensator C1. Damit wird einerseits die Schwingung unterbrochen und andererseits ein Zwischenzünden vermieden. Für Gleichspannungsbetrieb ist diese Art der Schutzschaltung aufgrund ihrer Selbsthaltung und fehlender Haltestromunterschreitung ebenfalls nicht geeignet. Es ist nämlich davon auszugehen, daß bei Einschaltung des Gerätes mit kalten Lampen ein Strom fließt, der 10 × größer ist als der Nennstrom. Damit spricht die Selbsthalteschaltung an und kann bei Gleichspannungsversorgung nicht mehr gelöst werden.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Schaltung zu entwickeln, die sowohl bei primär seitigem Wechselspannungsanschluß, als auch bei Gleich spannungsanschluß über eine gleichermaßen arbeitende Schutz schaltung verfügt, die sowohl Überströme, als auch Über spannungen erkennt und die Gerätefunktion so beeinflußt, daß ein Defekt des Gerätes aufgrund überhöhten Stromes oder überhöhter Spannung vermieden wird, und die bei dauernd anliegendem, überhöhtem Strom oder überhöhter Spannung oder beidem zugleich nach einigen Sekunden die Gerätefunktion zum Schutz der aktiven Bauelemente bis zu einem erneuten Ein-Ausschalten der primärseitig angelegten Spannung ab schaltet.

Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 näher bezeichneten Mitteln bzw. mit den dort erwähnten Schritten gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unter ansprüche. Die Prinzipschaltbilder 1 bis 4, Schaltungen mit zugehörigen Diagrammen, sollen, wie zuvor erwähnt, den Stand der Technik zur Erfindung verdeutlichen, während die Schaltungen 5 bis 7 in Verbindung mit den Diagrammen 8a, 8b und 8c Lösungsmerkmale für die in der Aufgabenstellung näher definierten Problemstellungen aufweisen.

Anhand dieser Prinzipschaltbilder wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipschaltung eines Halbbrücken wandlers mit üblicher Schutzschaltung;

Fig. 2 die Betriebsspannung U_B und Einhüllende der Kurzschlußströme I_S bei üblicher Schutzschaltung;

Fig. 3 eine Prinzipschaltung eines Halbbrücken wandlers mit anderer bekannter Schaltungs funktion;

Fig. 4 die Betriebsspannung und Einhüllende der Kurzschlußströme I_S bei Schutzschaltung nach Fig. 3;

Fig. 5 eine Prinzipschaltung gemäß der Erfindung für Überstromschutz;

Fig. 6 eine Prinzipschaltung gemäß der Erfindung für Überstromschutz und Dauerabschaltung;

Fig. 7 eine Prinzipschaltung für Überstromschutz, Überspannungsschutz und Dauerabschaltung;

Fig. 8a ein Diagramm der Betriebsspannung U_B mit Überspannung;

Fig. 8b ein Diagramm für Strom durch den Wider stand R_S bei Lastschluß und bei Über spannung;

Fig. 8c ein Diagramm für Strom durch den Wider stand R_S bei Einschalten mit kalten Lampen.

Eine Schutzschaltung bei Wechsel- und Gleichspannungsan schluß darf also nicht abhängig sein von der U_B-Spannung. Es liegt als erster Gedanke nahe, das Prinzip der Schal tung nach Fig. 1 in der zeitlichen Puls-Pausenfolge zu verändern und sowohl die Basisspannung, als auch die Zünd spannung kurzzuschließen. Damit würde auch der wichtige Grundsatz aufrechterhalten, daß sich die Sperrzeit mit dem Strom ändert. Eine Prinzipschaltung für Überstrom schutz zeigt Fig. 5. R₂ ist ein sehr kleiner Schutzwider stand und kann für die Betrachtung der Zeiten vernach lässigt werden. C_S wird also bei überhöhtem Strom unmittel bar aufgeladen. Wird die Ansprechschwelle des Gatters U_B/2 erreicht, verzögert R_A und C_A das Umschalten des zweiten Gatters, so daß C_S weiter aufgeladen werden kann. Ist C_A über R_A so weit entladen, daß die Spannung am zweiten Gatter U_B/2 unterschreitet, wird C₁ und die Basisspannung von T2 kurzgeschlossen. Kurzgeschlossen wird dann während der Ent ladezeit von C_S über R_E, bis die Spannung am ersten Gatter wieder die Ansprechschwelle unterschreitet. C₁ wird wieder freigegeben, eine neue Zündung erfolgt und der beschriebene Zyklus setzt wiederum ein. Die Zeiten sind jetzt so gewählt, daß z. B. bei 10 × I_nenn eine Schwingzeit von 30 µsec und eine Sperrzeit von 200 µsec erscheint. U_B kann also auch eine Gleichspannung sein, ohne daß die Schutzschaltung ihre Funktion verliert. Ist der Strom kleiner als 10 × I_nenn, so wird die Schwingzeit etwas größer, die Sperrzeit aber proportional kleiner.

Für den Anlauf des Gerätes mit kalten Lampen ist diese Schaltung gut geeignet, da sie sich mit ihren Schwing- und Sperrzeiten sehr schnell den sich aufgrund der wärmer werdenden Lampen ändernden Strömen anpaßt. Es wäre aber unrational, bei Erkennen eines konstanten Kurzschlusses die Schwingung immer wieder anzustoßen. Daher wird in wei terer Verfolgung des Erfindungsgedankens ein weiteres Zeit glied dieser Kurzschlußschutzschaltung zugefügt, um nach einigen Sekunden die Schwingung auf Dauer zu sperren und die gesamte Schaltung in eine Selbsthaltung zu überführen, die erst durch Trennen vom Anschlußnetz gelöst werden kann, das heißt Aus- und Wiedereinschalten. Die vervollkommnete Schaltung zeigt Fig. 6.

Steht auf Dauer ein überhöhter Strom an, so treten perio disch die Sperrzeiten auf. Das bedeutet, daß die Spannung an C_Z anwächst. Die Änderungsgeschwindigkeit des Spannungs zuwachses ist auch wieder um so höher, je höher der Strom ist. Wird die Ansprechschwelle des Gatters G4 (G4 und G3 könnten in dieser Schaltung eliminiert werden, sind aber in der nächsten Überarbeitung von Belang) überschritten, so befinden sich die vier Gatter in Selbsthaltung, C₁ und Basis T2 ist auf Dauer kurzgeschlossen.

Zunehmend unangenehm bemerkbar machen sich bei Niedervolt halogen-SNT's Überspannungen. Obige Schaltung ist bisher auf Erkennung und Abschaltung bei überhöhten Strömen aus gelegt. Überhöhte U_B-Spannung würde keine Reaktion hervor rufen. Trotzdem heutzutage fast alle Schaltnetzteile für Lichtanwendung über Varistoren am Eingang verfügen, reicht dieser Schutz nicht in allen Fällen aus. Da der 1 mA-Arbeits punkt aufgrund der Netzspannung über 353 V liegen muß, ist bei Spannungsüberhöhungen (Spikes, Burst usw.) minimal mit einer 600 V-Begrenzung zu rechnen. Das kann in manchen Fällen zum Überschreiten des SOAR-Diagramms führen, zumal dann, wenn das Gerät mit kalten Lampen eingeschaltet wird, also hoher Strom, und gleichzeitig eine hohe Spannung an steht. Die Schaltleistung der Schalttransistoren wird in diesem Fall überschritten.

Eine leichte Modifikation der bisherigen Schutzschaltung führt zu einer zusätzlichen Überspannungsschutzschaltung, ebenfalls mit nachfolgender Selbsthaltung bei Dauerüber spannung. Die Einfügung der Spannungsüberwachung zeigt Fig. 7.

Z_U kann eine Transildiode, Zenerdiode oder eine sonstige Schaltung sein, die < 200 V zu leiten beginnt. Das erhöht den Hub in Abhängigkeit von der Spannung U_B am Eingang des Gatters 4. Mit dieser Schaltung ist es bei entsprechender Wahl der Bauelemente möglich, ab einer U_B-Spannung von 400 V den Transistor T2 sicher zu sperren und den Zündkondensator sicher zu entladen. Damit ist eine Schaltung erstellt, die vor Überstrom und Überspannung bei Gleich- und Wechselstrom anschluß schützt, bei zeitlicher Dauer dieser Fehlerfälle dauernd abschaltet und ein sehr schnelles Einschalten bei kalten Lampen gewährleistet.

Die Fig. 8a bis 8c zeigen schematisch das Verhalten des Stromes I_S, Fig. 8b für Lastschluß und Überspannung bei Wechsel- und Gleichspannungsbetrieb des Schaltnetzteils, Fig. 8c bei Einschalten des Gerätes mit kalten Lampen im Wechselspannungsbetrieb. Da die Erwärmung der Halogenlam pen ohne Schutzschaltung 100 msec dauert, mit Schutzschal tung aufgrund der Stromunterbrechungen ~ 1 sec, wurde in Fig. 8c eine verkürzte Zeit gewählt, um das Schema des Einschaltvorganges andeuten zu können. Bei hohem Strom ergibt sich, wie schon oben gesagt, eine längere Sperrzeit (und kürzere Schwingzeit) als bei kleinerem Strom.

Claims

1. Schutzschaltung für ein an Wechsel- oder Gleichspannung betriebenes selbstschwingendes Schaltnetzteil für den Betrieb von Niedervolt halogenlampen, das als Gegentaktdurchflußwandler, symmetrischer Halbbrückendurchflußwandler, Vollbrückendurchflußwandler, Eintakt durchflußwandler, Sperrwandler oder Resonanzwandler aufgebaut ist, mit folgenden Merkmalen:

a) als Schaltelemente (T1, T2) dienen bipolare Transistoren, MOSFETS oder IGBT's,
b) es sind Brückenkondensatoren (CB) oder ein Resonanzkreiskondensator vorgesehen,
c) mit einem im Laststromkreis angeordneten rückkoppelnden Über trager zur Spannungs- und Stromwandlung (TB) für die Ansteuerung der Schaltelemente (T1, T2) zwecks Aufrechterhaltung der Schwingung,
d) mit einem Leistungstransformator,
e) die Arbeitsfrequenz << Netzfrequenz,
f) die Schwingung wird angeregt durch einen Zündimpuls, der an die Steuerelektrode eines Schaltelementes (T2) gelegt wird,
g) in Reihe mit einem Schaltelement (T2) liegt ein Widerstand (RS) zum Erkennen eines erhöhten Stromes,
h) dessen Spannungsabfall wird zwei hintereinander angeordneten Zeitkonstantengliedern (CS, RE, RA, CA) zugeführt, mit deren Hilfe von der Stromstärke abhängige Fluß- und Sperrzeiten gebildet werden, mit: Sperrzeit << Halbperiode der Netzfrequenz; Sperrzeit ≧ Flußzeit ≧ eine Periode der Arbeitsfrequenz,
i) wobei während der Sperrzeit der der Erzeugung des Zündimpuls dienende Zündkondensator (C1) kurzgeschlossen und die Steuerelektrode des Schaltelementes (T2) kurzgeschlossen oder stromlos gemacht wird.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß bei einer Betriebsspannung U_B des Gerätes, die die Nennspannung (eff) der angelegten primärsei tigen Spannung um mindestens den Faktor 1, 7 übersteigt, über einen an die Betriebsspannung gelegten Widerstands teiler oder Widerstandsteiler mit in Reihe liegender Zenerdiode, Transildiode, entsprechender Transistor schaltung (Z_U, R_U1, R_U2) die Schutzschaltung aktiviert wird und für die Zeit der Überspannung die Sperrzeit erzeugt wird, Schaltglied und Zündkondensator nicht arbeiten (Fig. 7).

3. Schutzschaltung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekenn zeichnet, daß in den Sperrzeiten ein weiteres Zeitkon stantenglied (C_Z, R_Z) mit einer Aufladezeitkonstante < Entladezeitkonstante aufgeladen wird, wobei die Aufladezeitkonstante ≧ 1 sec ist, so daß bei dauernder periodischer Sperrzeit oder langer Sperrzeit aufgrund anhaltender Überspannung eine Signalspannung am Zeit konstantenglied steht, die, auf den Fehlererkennungs eingang der Schutzschaltung rückgekoppelt, zu einer Selbsthaltung und Dauersperrung führt (Fig. 6).

4. Schutzschaltung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauersperrzeit durch kurzes Abschalten des Gerätes von der primär seitig angeschlossenen Spannung oder durch Entladung des Zeitkon stantengliedes (C2, R2) mittels Taster oder durch Entladung über ein aktives Bauelement aufgrund eines dieses Element zweckentsprechend ansteuernden Signals aufgehoben wird.