DE4318995A1 - Geregeltes Vorschaltgerät mit selbstschwingender Halbbrückenschaltung - Google Patents

Geregeltes Vorschaltgerät mit selbstschwingender Halbbrückenschaltung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät mit stabilisierter Ausgangsspannung zum Betrieb einer elektrischen Last mit einem induktiven Teil der Belastung, z. B. einer Niedervolt-Halogen­ lampe (24) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und stellt eine kompakte Versorgungseinheit mit geregelter Aus­ gangsspannung zum Betrieb z. B. einer Niedervolt-Halogenlampe an einem Gleich- oder Wechselstromnetz dar.
Aus dem Bereich der Hochfrequenz-Leistungswandler sind eine Vielzahl von Vorschaltgeräten bekannt, die in der Regel nach dem Prinzip einer selbstschwingenden Halbbrückenschaltung arbeiten, wie sie in den Patentschriften DE 30 14 419 C2 und DE 31 49 526 A1 beschrieben werden.
Diese Vorschaltgeräte sind i.d.R. aus folgenden Komponenten aufgebaut:
  • a) Filter zur Unterdrückung von Störungen aus dem Netz und zur Vermeidung von Störungen in das Netz;
  • b) Gleichrichter verschiedenen Typs;
  • c) Glättungsfilter oder keine Glättungsfilter;
  • d) selbstschwingende Hochfrequenzwandler, z. B. Halbbrücke mit "n"-Paaren Transistoren mit ihren passiven Vierpolen zwischen Basis und Emitter;
  • e) ein Anlaufschaltglied mit oder ohne variablen Widerstand zur Variation der Effektivspannung an der Last;
  • f) einen Ansteuertransformator, dessen Primärwicklung vom primären Laststrom durchflossen wird und dessen Sekundär­ wicklungen am Eingang der unter (4) genannten Vierpole liegen;
  • g) ein Regelglied zur Regelung (Stabilisierung) des Effek­ tivwertes der Ausgangsspannung.
Die in den Offenlegungsschriften beschriebenen Schaltungen haben aufgrund ihrer aufwendigen Schaltungstechnik den Nach­ teil einer höheren Wahrscheinlichkeit des Bauelementeausfalls sowie eines insgesamt größeren Gerätevolumens. Ein funktionel­ ler Nachteil ergibt sich aus der Lastabhängigkeit der Regel­ spannungsgewinnung.
Einen engen Bezug zu dem hier vorgestellten Prinzip hat das Patent DE 27 19 356 A1 und daraus der Patentanspruch 10. Nach­ teil des genannten Patentanspruchs ist die durch den konstruk­ tiven Aufbau (getrennte Kerne für die das Achsialfeld bzw. Zirkularfeld erzeugenden Wicklungen) geringere magnetische Kopplung und der daraus resultierende höhere Eigenleistungsbe­ darf der Regelung.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Vorschaltgerät zu schaffen, welches die genannten Nachteile ausschließt und einen ferti­ gungstechnisch vereinfachten Aufbau des Ansteuertransformators ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch das kennzeichnende Merkmal der ge­ meinsamen Unterbringung der das orthogonale Feld erzeugenden Wicklungen auf einem Transformatorkern gelöst. Durch diese enge magnetische Kopplung wird eine hohe Regelgenauigkeit erreicht.
Das Vorschaltgerät entsprechend erfindungsgemäßen Anspruchs wird anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels näher veranschaulicht.
In Fig. 1 ist das Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zum spannungsstabilisierten Betrieb einer Niedervolt-Halogen­ lampe sowie mögliche schaltungstechnische Lösungen der Vierpo­ le 25 und 29 dargestellt.
Die Varianten a), b), c) in Fig. 2 stehen für verschiedene kon­ struktive Realisierungsformen des Ansteuertransformators 38.
Zur besseren Veranschaulichung des Schaltungsprinzips wurde auf eine nähere Kennzeichnung der Ein- und Ausgangsklemmen sowie der Schutzelemente (Sicherung, Überspannungsschutz) verzichtet. Ausführliche Darstellungen dazu sind aus der Literatur bekannt.
Die Punktkennzeichnung an den Wicklungen 9, 10 und 40 bezeich­ net den Wicklungsanfang.
Parallel zu den Eingangsklemmen der Gleich- oder Wechsel­ spannungsspeisung ist ein Filterblock 1 angeordnet, dessen Ausgang auf den Graetz-Gleichrichter 2 führt. Der Gleichspan­ nungsausgang des Gleichrichters 2 wird über den Filterblock 3 an das Anlaufschaltglied 4 sowie an die zwei Arme der Halb­ brücke 41, bestehend aus den Transistoren 15 und 16 mit den dazu parallelen Rückstromdioden 18 und 19. Das Anlaufschalt­ glied 4 besteht aus aus den in Reihe liegenden Elementen Widerstand 5 und Kondensator 8, sowie den am gemeinsamen Verbindungspunkt angeschlossenen Diac 7 und der Anode von Diode 6. Zwischen dem Verbindungspunkt 17 der Transistoren 15, 16 und dem Verbindungspunkt 34 der Kondensatoren 35, 36 ist die Primärwicklung 22 des Lasttransformators 20 geschaltet. Dem Kondensator 36 liegen die in Reihe mit Kondensator 37 geschaltete Primärwicklung 40 des Ansteuerformators 38 paral­ lel. Eine weitere Sekundärwicklung 21 des Lasttransformators 20 ist mit ihren Wicklungsenden an den Wechselspannungseingang des Vierpols 25 angeschlossen. Die Ausgänge 46 und 47 sind jeweils mit den Eingängen 49 und 48 des Vierpols 29 verbunden. Die Ausgänge 50 und 51 des Vierpols 29 sind mit den Wicklungs­ enden der Wicklung 39 des Ansteuertransformators verbunden. An die Sekundärwicklung 23 des Lasttransformators 20 ist über die Ausgangsklemmen die elektrische Last, z. B. eine oder mehrere Niedervolt-Halogenlampen angeschlossen.
Die Sekundärwicklungen 9 und 10 des Ansteuertransformators 38 sind als Quelle der passiven Vierpole 11 und 12 geschaltet. Die Ausgänge der Vierpole 11 und 12 sind jeweils mit der Basis und dem Emitter der Transistoren 15 und 16 verbunden.
Die in Fig. 2 dargestellten Ausführungsvarianten a), b) und c) des Ansteuertransformators 38 zeigen die jeweilige Anordnung der für die Erzeugung des Zirkularfeldes 42 (gestrichelter Feldlinienverlauf) verantwortlichen Wicklungen 9, 10, 40 und der das Radialfeld 43 (gepunkteter Feldlinienverlauf) erzeu­ genden Wicklung 39. Alle Varianten a), b) und c) gewährleisten den erfindungsgemäßen orthogonalen Verlauf des Zirkularfeldes 42 zum radialen Feld 43.
Die verwendeten Schaltungselemente für ein Vorschaltgerät mit stabilisierter Ausgangsspannung zum Betrieb einer 100 W Nie­ dervolt-Halogenlampe mit 12 Volt Betriebsspannung sind in nachfolgender Stückliste zusammengestellt.
1: Drossel, Kern E 13/4; Werkstoff N 27; Induktivität: 1,4 . . . 1,7 mH und parallel zum Ausgang des Blockes 1 Stück Kondensator PMKT-330; 10nF; geeignet bis 250 Volt
2: 4 Stück Dioden, Typ 1N4005
3: Drossel, Kern E 13/4; Werkstoff N 27; Induktivität: 0,6 mH und parallel zum Eingang und Ausgang des Blockes je ein Kondensator; Typ: MKT-330 nF; geeignet bis 400 Volt sowie parallel zur Drossel ein Kondensator; Typ: BF 01-07; 6,8 nF; geeignet bis 63 Volt
5: Widerstand 330 kOhm; 0,5 Watt
6: Diode SPR 100j
7: Diac BR 100-03; U = 28-36 Volt; I = 2 A
8: Kondensator: Typ BF 01-07; 10 nF; geeignet bis 63 Volt
13/14: Ferritröhrchen: Länge 8 mm; Durchmesser 3,5 mm Werkstoff N 27
15/16: Transistor BUL 45 bzw. BUL 45F
18/19: Diode SPR 100j
20: Leistungstransformator; Kern EF 32/9; Werkstoff N 67
Wicklung 21: 6 Windungen
Wicklung 22: 46 Windungen
Wicklung 23: 6 Windungen
auf Zweikammer-Spulenkörper
24: Halogenlampe 100 Watt; 12 Volt Betriebsspannung
25: Graetzgleichrichterbrücke; Typ PL 40 (50 V, 0,1 A) und parallel zum Gleichspannungsausgang ein Elektrolytkondensator 100 µF/25 V
29: parallel zum Eingang liegender Einstellregler 47 kOhm/0,5 W dessen Schleifer mit der Basis eines Transistors Typ BC 337 verbunden ist. Der Emitter des Transistors ist über eine Zener-Diode; Typ BZX 55/C9V1 mit dem einen Ende der Widerstandsbahn des genannten Einstellreglers verbunden, der Kollektor ist über eine Diode; Typ SPR 100a, deren Anschlüsse gleichzeitig den Ausgang des Vierpols bilden, auf das andere Ende der Widerstandsbahn geführt
35: Kondensator; Typ MKP-10; 47 nF; geeignet bis 250 Volt
36/37: Kondensator; Typ MKP-10; 22 nF; geeignet bis 250 Volt
40: Ansteuertransformator; Schalenkern Typ RM 6 ohne Luftspalt abgleichbare Ausführung; Werkstoff N 30
Wicklung 9: 1 Windung
Wicklung 10: 1 Windung
Wicklung 40: 1 Windung
Wicklung 39: 1000 Windungen
Die Funktionsweise dieser selbstschwingenden Halbbrückenschal­ tung mit Ausnahme der erfindungsgemäßen Regelung, wird in der Literatur, z. B. im Buch "Schaltnetzteile" von J. Wüstehube (Expert-Verlag) auf den Seiten 34 ff oder in der Zeitschrift "Elektronik-Journal" Heft 14/92, Seite 23 ff beschrieben. Speziell zum Betrieb von Niedervolt-Lampen findet man nähere Hinweise im Buch "Elektronikschaltungen", Seite 144 ff von W. Hirschmann.
Wie bekannt wird die Wandlerfrequenz nach der Formel
U (V): Spannung an Wicklung 9 bzw. 10
B (T): Sättigungsinduktion des Kernes 38
A (cm): Querschnittsfläche des Kernes 38
N: Windungszahl der Wicklung 9 bzw. 10
bestimmt.
Nach Anspruch 3 besteht die erste Gruppe von Wicklungen aus den Wicklungen 9, 10 und 40. Ohne Achsialfeld im Ansteuer­ transformator 38 ist die Wandlerfrequenz f nach oben genann­ ter Formel konstant. Bei Stromfluß durch Wicklung 39 und dem daraus resultierenden Achsialfeld wird die Sättigungsinduktion B proportional verkleinert und damit die Wandlerfrequenz f erhöht.
Damit wird der Spannungsabfall am parasitären Teil der Induk­ tivität 22 des Lasttransformators 20 größer und dadurch die Spannungstransformation zur Sekundärwicklung 23 des Lasttrans­ formators 20 und damit die an der Lampe 24 anliegende Spannung kleiner.
Nach Anspruch 4 wird der Stromfluß durch Wicklung 39 initiiert durch die Regelschaltung, bestehend aus der Sekundärwicklung 21 des Lasttransformators 20 und den Vierpolen 25 und 29. Über die Wicklung 21 wird dem Vierpol 25 eine der Ausgangsspannung an der Lampe 24 proportionale Wechselspannung zugeführt. Der Vierpol 25 setzt den Effektivwert dieser Spannung nach der Funktion
U==f(Ueff)
in einen der Ausgangsspannung an der Last proportionalen Gleichspannungswert um. Der Vierpol 29 transformiert diese am Eingang anstehende Gleichspannung U nach der Funktion
I==f(Ueff)
in einen adäquaten Gleichstrom durch die Wicklung 39 des Ansteuertransformators 38, die ihrerseits durch die Erzeugung eines orthogonalen Feldes (Achsialfeld 43) zum Feld (Zirkular­ feld 42) der Wicklungen 9, 10 und 40 schließt.
Die für die möglichst einfache fertigungstechnische Gestaltung des Ansteuertransformators 38 nach Anspruch 4 gewählte Win­ dungszahl 1 für die Wicklungen 9, 10, und 40 setzt eine mini­ male Gleichstromverstärkung hFE=4 für die Transistoren 15 und 16 voraus, was dem üblichen Angebot der Transistoren­ hersteller entspricht.
Die Anordnung der Sekundärwicklung 23 des Lasttransformators 20 in einer getrennten Kammer des Spulenkörpers hat zum Zweck:
  • - durch die geringere Kopplung zwischen Wicklung 23 und Wicklung 22 wird bei Kurzschluß der Last der in der Wick­ lung 22 fließende Strom begrenzt und damit eine Überla­ stung der Transistoren 15 und 16 vermieden, bzw. die mögliche Ansprechzeit weiterer Schutzmaßnahmen/Schutz­ schaltungen erhöht.
  • - der galvanischen Trennung zwischen der Hochspannungsseite des Vorschaltgerätes (Wicklung 21, 22) und dem Niedervolt- Lastanschluß (Wicklung 23) entsprechend den sicherheits­ technischen Forderungen fertigungstechnisch leichter entsprochen werden kann.

Claims (6)

1. Vorschaltgerät mit stabilisierter Ausgangsspannung zum Betrieb einer elektrischen Last mit einem induktiven Teil der Belastung, z. B. einer Niedervolt-Halogenlampe (24) mit einer Induktivität des herabsetzenden Lasttransformators oder einer Metalldampf- oder Niederdruckquecksilberdampflampe mit einer Induktivität der Drossel und parallel zur Lampe geschalteten Kondensator mit oder ohne Transformator zur Spannungserhöhung aus einem Gleich- oder Wechselspannungsnetz bestehend aus einem Entstörfilter (1), einem hochfrequenten Gegentaktwandler (41) mit "n" Paaren Leistungstransistoren (15, 16) mit ihren passiven Vierpolen (11, 12) zwischen Basis und Emitter, über Kondensatoren geschlossene Halbbrückenzweige, einem Anlauf­ schaltglied (4), einem Ansteuertransformator (38), dadurch gekennzeichnet, daß der Ansteuertransformator (38) aus einem Kern ohne Luftspalt und zwei Gruppen von Wicklungen besteht, wobei die erste Gruppe der Wicklungen ein Zirkular­ feld (42) und die zweite Gruppe der Wicklungen ein zum Zirku­ larfeld (42) orthogonales Achsialfeld (43) in diesem Kern erzeugt.
2. Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Änderung der Wandlerfrequenz des Gegen­ taktwandlers (41) vorgesehen ist.
3. Vorschaltgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gruppe von Wicklungen aus einer vom gesamten Last­ strom durchflossenen Primärwicklung (40) und "n" Paaren Sekun­ därwicklungen (9, 10) zur Ansteuerung der Leistungstran­ sistoren (15, 16) besteht.
4. Vorschaltgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der das Zirkularfeld erzeugende Ansteuertransformator (38) mit den Wicklungen (9, 10, 40) ein Windungsverhältnis von 1 : 1 : 1 aufweist, und daß das Verhältnis zwischen Kollektor- und Basisstrom der Leistungstransistoren (15, 16) durch das Ver­ hältnis der Werte oder der Zahl der geteilten parallel ge­ schalteten Komponenten gleichen Typs des Gegentaktwandlers (41), z. B. der Zahl der Primärwicklungen des Lasttransforma­ tors (20), oder der Zahl der Wicklungen der Drossel, oder dem Verhältnis der Kapazitätswerte bei Verwendung von zwei Konden­ satoren in einem Arm des Gegentaktwandlers, oder der Zahl der Paare der parallel geschalteten Leistungstransistoren bestimmt wird, wobei die Primärwicklung (40) des Ansteuertransformators (38) in Reihe mit einer der genannten Komponenten geschaltet wird.
5. Vorschaltgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die oben genannte Vorrichtung zur Änderung der Wandlerfrequenz aus den Komponenten
  • - Wicklung (21)
  • - Vierpol (25)
  • - Vierpol (29)
  • - Wicklung (39)
besteht, die in genannter Reihenfolge miteinander verbunden sind.
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