DE4318995C2 - Geregeltes Vorschaltgerät mit selbstschwingender Halbbrückenschaltung (elektronischer Transformator) - Google Patents

Geregeltes Vorschaltgerät mit selbstschwingender Halbbrückenschaltung (elektronischer Transformator)

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Description

Die Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät mit stabilisierter Ausgangspannung zum Betrieb einer elektrischen Last mit einem induktiven Teil der Belastung, z. B. einer Niedervolt-Halogenlampe (24) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und stellt eine kompakte Versorgungseinheit mit geregelter Ausgangsspannung 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 der DE-OS 32 22 994 beschrieben werden. Dabei geschieht die Einflußnahme auf die Frequenz des Ansteuertransformators und damit der Ausgangsspannung nach dem Prinzip der Kernverluste durch eine induktiv gekoppelte Parallelwicklung W3. Solch eine Variante hat folgende Nachteile:
  • 1.) Die Anordnung der vier magnetisch gekoppelten Wicklungen W1 ... W4, welche jeweils nur ein axiales Magnetfeld erzeugen, führt zu hohen Hystereseverlusten des Kernes.
  • 2.) Die Beeinflussung der Kennlinie B = f(H) durch das bekannte Prinzip der Kernver­ luste erfordert zusätzliche externe Bauelemente und es entstehen in diesen Wirk­ leistungsverluste.
  • 3.) In der praktischen Realisierung werden für den externen Widerstand ein oder mehrere Halbleiterbauelemente eingesetzt werden müssen, welche prinzipbedingt bzw. durch Fertigungstoleranzen nicht identisch auf beide Halbwellen des Wechselstromes wirken können, was zu einer nachteiligen unsymetrischen Arbeitsweise der Wandlertransisto­ ren führt.
  • 4.) Der mögliche Kurzschluß der Steuerwicklung W3 nach der auf Seite 17 Absatz 2 beschriebenen Arbeitsweise der Regelung verursacht hohe Verlustleistungen.
  • 5.) Die galvanische Trennung der Steuerwicklung wird insbesondere bei geforderten hohen Spannungsfestigkeiten eine aufwendige Technologie erfordern.
Eine das Orthogonalfeld ausnutzende Drossel, wie in der DE-AS 10 59 964 beschrieben, kann aufgrund der hochinduktiven Blindwiderstände der Wechselstromwicklungen L1 und L2 nur als Kopplungs- oder Spannungstransformator verwendet werden, nicht aber als Ansteuertrans­ formator einer selbstschwingenden Halbbrückenschaltung, welcher nach dem Prinzip des Strom­ transformators mit praktisch drei induktivitätsfrei gekoppelten Wicklungen arbeitet.
Das in der DE-OS 32 22 994 zugrunde liegende Prinzip der Kernverluste setzt die induktive Kopplung der Wicklungen voraus, ist also mit einer elektromagnetisch ungekoppelten Steuerwicklung nicht realisierbar.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Vorschaltgerät zu schaffen, welches einen fertigungstechnisch vereinfachten Aufbau des Ansteuertransformators ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Vorschaltgerät mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Das Prinzip der gemeinsamen Unterbringung der das orthogonale Feld erzeugenden Wicklungen auf einem Transformatorkern ermöglicht diese enge magnetische Kopplung und es wird eine hohe Regelgenauigkeit erreicht.
Das erfindungsgemäße Vorschaltgerät wird anhand des nachfol­ genden Ausführungsbeispiels näher veranschaulicht.
In Fig. 1 ist das Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zum spannungsstabilisierten Betrieb einer Niedervolt-Halogenlampe sowie mögliche schaltungstechnische Lösungen der Vierpole 25 und 29 dargestellt.
Die Varianten a), b), c) in Fig. 2 stehen für verschiedene konstruktive Realisierungsformen des Ansteuertransformators 38, wobei immer das Zirkularfeld orthogonal zum Radialfeld verläuft.
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 bezeichnet den Wicklungsanfang. Parallel zu den Eingangsklemmen der Gleich- oder Wechselspannungsspeisung ist ein Filterblock 1 angeordnet, dessen Ausgang auf den Graetz-Gleichrichter 2 führt. Der Gleichspannungsaus­ gang des Gleichrichters 2 ist über den Filterblock 3 mit dem Anlaufschaltglied 4 sowie mit den zwei Armen der Halbbrücke 41, bestehend aus den Transistoren 15 und 16 mit den dazu parallelen Rückstromdioden 18 und 19 verbunden. Das Anlaufschaltglied 4 besteht aus den in Reihe liegenden Elementen Widerstand 5 und Kondensator 8 sowie den am gemeinsamen Verbindungs­ punkt 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 Ansteuertransformators 38 parallel. Eine weitere Sekundärwicklung 21 des Lasttransformators 20 ist mit ihren Wicklungsenden an den Wechselspannungseingang des Vierpols 25 angeschlossen. Die Ausgänge des Vierpols 25 sind jeweils mit den Eingängen des Vierpols 29 verbunden. Die Ausgänge des Vierpols 29 sind mit den Wicklungsenden der Wicklung 39 des Ansteuertransformators verbunden. An die Sekundär­ wicklung 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 Feld­ linienverlauf) verantwortlichen Wicklungen 9, 10, 40 und der das Radialfeld 43 (gepunkteter Feldlinienverlauf) erzeugenden Wicklungen 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-Niedervolt-Halogenlampe mit 12 V Betriebsspannung sind in nachfol­ gender Stückliste zusammengestellt:
  • 1: Drossel, Kern E 13/4; Werkstoff N 27 (Siemens)
    Induktivität: 1,4 ... 1,7 mH
    und parallel zum Ausgang des Blockes
    1 Stück Kondensator PMKT-330 (Philips Components); 10 nF; geeignet bis 250 Volt
  • 2: 4 Stück Dioden, Typ 1N4005 (General Instrument)
  • 3: Drossel, Kern E 13/4; Werkstoff N 27 (Siemens)
    Induktivität: 0,6 mH
    und parallel zum Eingang und Ausgang des Blockes je ein Kondensator;
    Typ: MKT-373 (Philips Components); 330 nF; geeignet bis 400 Volt
    sowie parallel zur Drossel ein Kondensator;
    Typ: BF 01-07 (Thomson); 6,8 nF; geeignet bis 63 Volt
  • 5: Widerstand 330 kOhm ; 0,5 Watt
  • 6: Diode SRP 100j (General Instrument)
  • 7: Diac BR 100-03 (Philips Components, SGS-Thomson Microelectronics);
    U = 28-36 ; I = 2 A
  • 8: Kondensator: Typ BF 01-07 (Thomson); 10 nF; geeignet bis 63 Volt
    13/14: Ferritröhrchen: Länge 8 mm; Durchmesser 3,5 mm
    Werkstoff N27 (Siemens)
    15/16: Transistor BUL 45 bzw. BUL 45F (Motorola)
    18/19: Diode SRP 100j (General Instrument)
  • 20: Leistungstransformator; Kern EF 32/9; Werkstoff N67
    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 einer Z-Diode Typ BZX 55/C9V1 mit dem einen Ende der Widerstandsbahn des genannten Einstellreglers verbunden, der Kollektor ist über eine Diode; Typ SRP 100 A, deren Anschlüsse gleichzeitig den Ausgang des Vierpols bilden, auf das andere Ende der Widerstandsbahn geführt.
  • 35: Kondensator; Typ MKP-10 (Wima); 47 nF; geeignet bis 250 Volt
    36/37: Kondensator; Typ MKP-10 (Wima); 22 nF; geeignet bis 250 Volt
  • 40: Ansteuertransformafor; Schalenkern Typ RM 6 ohne Luftspalt abgleichbare Ausführung; Werkstoff N 30 (Siemens)
    Wicklung 9: 1 Windung
    Wicklung 10: 1 Windung
    Wicklung 40: 1 Windung
    Wicklung 39: 1000 Windungen
Die Funktionsweise dieser selbstschwingenden Halbbrückenschaltung mit Ausnahme der erfin­ dungsgemäßen Regelung wird in der Literatur, z. B. im Buch "Schaltnetzteile" von J. Wüstehube (Expert-Verlag) 1979 auf den Seiten 34ff oder in der Zeitschrift von Michael Bairanzade "Elektronik-Journal" Heft 14/92, Seite 23ff beschrieben. Speziell zum Betrieb von Leuchtstoff- Lampen findet man nähere Hinweise im Buch "Elektronikschaltungen", Seite 144ff von W. Hirsch­ mann (Siemens-AG), 1982.
Wie bekannt, wird die Wandlerfrequenz nach der Formel
U (V): Spannung an Wicklung 9 bzw. 10
B (T): Sättigungsinduktion des Kernes 38
A (cm2): Querschnittsfläche des Kernes 38
N: Windungszahl der Wicklung 9 bzw. 10
bestimmt.
Nach einem Beispiel gemäß Anspruch 2 besteht die erste Gruppe von Wicklungen aus den Wicklungen 9, 10 und 40. Ohne Achsialfeld im Ansteuertransformator 38 ist die Wandlerfrequenz f nach oben genannter 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 Induktivität 22 des Lasttransformators 20 größer und dadurch die Spannungstransformation zur Sekundärwicklung 23 des Lasttransformators 20. und damit die an der Lampe 24 anliegende Spannung kleiner.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung gemäß 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(U=)
in einen adäquaten Gleichstrom durch die Wicklung 39 des Ansteuertransformators 38, die ihrerseits durch die Erzeugung eines orthogonalen Feldes (Achsialfeld 43) zum Feld (Zirkularfeld 42) der Wicklungen 9, 10 und 40 schließt.
Die für die möglichst einfache fertigungstechnische Gestaltung des Ansteuertransformators 38 nach (Anspruch 3) gewählte Windungszahl 1 für die Wicklungen 9, 10 und 40 setzt eine minimale Verstärkung hFE = 4 für die Transistoren 15 und 16 voraus, was dem üblichen Angebot der Transistorenhersteller 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 Wicklung 22 fließende Strom begrenzt und damit eine Überlastung der Transistoren 15 und 16 vermieden bzw. die mögliche Ansprechzeit weiterer Schutzmaß­ nahmen/Schutzschaltungen erhöht.
  • - Der galvanischen Trennung zwischen der Hochspannungsseite des Vorschaltgerätes (Wicklung 21, 22) und dem Niedervoltlastanschluß (Wicklung 23) entsprechend den si­ cherheitstechnisehen Forderungen kann fertigungstechnisch leichter entsprochen werden.

Claims (4)

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 Transfor­ mator zur Spannungserhöhung aus einem Gleich- oder Wechselspannungsnetz, bestehend aus einem Entstörfilter (1), einem hochfrequenten Gegentaktwandler (41) mit "n" Paaren Leistungs- Transistoren (15, 16) mit ihren passiven Vierpolen (11, 12) zwischen Basis und Emitter, über Kon­ densatoren geschlossene Halbbrückenzweige, einem Anlaufschaltglied (4), einem Ansteuertrans­ formator (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 Zirkularfeld (42) und die zweite Gruppe der Wicklungen ein zum Zirkularfeld (42) orthogonales Achsialfeld (43) zur Vormagnetisierung in diesem Kern erzeugt, wobei eine Vorrichtung zur Änderung der Wandlerfrequenz des Gegentaktwandlers (41) vorgesehen ist.
2. Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gruppe von Wicklungen aus einer vom gesamten Laststrom durchflossenen Primärwicklung (40) und "n" Paaren Sekundärwicklungen (9, 10) zur Ansteuerung der Leistungatransistoren (15, 16) besteht.
3. Vorschaltgerät nach Anspruch 2, 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 Leistungstran­ sistoren (15, 16) durch das Verhältnis der Werte oder der Zahl der geteilten parallel geschalteten Komponenten gleichen Typs des Gegentaktwandlers (41), z. B. der Zahl der Primärwicklungen des Lasttransformators (20) oder der Zahl der Wicklungen der Drossel, oder dem Verhältnis der Kapazitätswerte bei Verwendung von zwei Kondensatoren 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 Kompo­ nenten geschaltet wird.
4. Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrich­ tung 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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