DE4318996A1 - Dimmbares Vorschaltgerät mit selbstschwingender Halbbrückenschaltung - Google Patents

Dimmbares Vorschaltgerät mit selbstschwingender Halbbrückenschaltung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät zum Betrieb ein­ schließlich Dimmung einer elektrischen Last mit einem induktiven Teil der Belastung, z. B. einer Niedervolt-Halogen­ lampe, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und stellt eine kompakte Stromversorgungseinheit dar.
Aus dem Bereich der Hochfrequenz-Leistungswandler sind eine Vielzahl von Vorschaltgeräten bekannt, die in der Regel nach dem Prinzip einer selbstschwingenden Halbbrückenschaltung arbeiten. Die Funktionsweise ist z. B. in der Zeitschrift "Elektronik-Journal" Nr. 14/92 Seite 23 ff. und dem Fachbuch "Schaltnetzteile" von J. Wüstehube (Expert-Verlag) Seite 34 ff. hinreichend beschrieben. Speziell zum Betrieb von Niedervolt­ lampen findet man nähere Hinweise im Buch "Elektronikschaltun­ gen" Seite 144 ff. von W. Hirschmann (Siemens AG).
Diese Vorschaltgeräte sind i.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) Einen selbstschwingenden Hochfrequenzwandler, z. B. Halb­ brücke 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 (d) genannten Vierpole liegen.
Es ist bekannt, daß die in der Praxis eingesetzten Geräte durch die Variation der Spannung an der Last wie unter (e) beschrieben realisiert werden. Hierbei zeigen sich jedoch folgende Nachteile:
  • - Die in den regelbaren Widerständen enthaltenen Schleifkon­ takte weisen eine begrenzte Zuverlässigkeit und Standzeit auf.
  • - Die Anschlüsse des regelbaren Widerstandes sind elektrisch mit dem Hochspannungsteil des Vorschaltgerätes verbunden, woraus sich ein hoher Aufwand für den Ausschluß von Gefähr­ dungen ergibt.
  • - Die Variation der Effektivspannung an der Last ist prinzip­ bedingt nur im Bereich von 50% bis 100% der nominellen Effektivausgangsspannung möglich.
  • - Dieses Funktionsprinzip ist nur auf eine Speisung mit Netz­ wechselspannung beschränkt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Vorschaltgerät zu schaffen, welches die genannten Nachteile ausschließt und einen fertigungstechnisch vereinfachten Aufbau des Ansteuer­ transformators nach (d) ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch das kennzeichnende Merkmal einer magnetischen Beeinflussung des Ansteuertransformators nach (d) durch ein externes magne­ tisches Gleichfeld mit oder ohne Modulation, dessen Aktuator sich außerhalb des Gehäuses, elektrisch hochisoliert vom elektrisch leitfähigen Teil des Vorschaltgerätes, befindet, gelöst.
Zur Realisierung der fertigungstechnisch günstigen Windungs­ zahl 1 jeder Wicklung des Ansteuertransformators wird die Primärwicklung des Ansteuertransformators in einen parallelen Zweig zum Lasttransformator gelegt, so daß sich eine gleiche Stromaufteilung zwischen beiden Zweigen ergibt.
Das Vorschaltgerät entsprechend erfindungsgemäßen Anspruchs ist anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels näher veran­ schaulicht.
In Fig. 1 ist das Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Niedervolt-Halogenlampe dargestellt.
Fig. 2 zeigt den Aufbau des Ansteuertransformators 17.
In Fig. 3 sind die räumliche Lage des Ansteuertransforma­ tors 17 zum Aktuator 20 eines externen magnetischen Gleichfeldes (im Beispiel ein Permanentmagnet) und grundsätz­ liche Bewegungsachsen des Aktuators 20 zur Variation der magnetischen Beeinflussung des Ansteuertransformators 17 dargestellt.
Fig. 4 zeigt im Diagramm die qualitative Abhängigkeit der Effektivspannung an der Last von der Entfernung zwischen dem Aktuator 20 des magnetischen Gleichfeldes und der ausgewählten magnetischen Beeinflussungsebene des Ansteuertransformators 17. Parameter sind dabei die in Fig. 3 gekennzeichneten Bewe­ gungsachsen des Aktuators 20.
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 5, 6 und 16 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 Halbbrücke, bestehend aus den Transistoren 9 und 10 mit den dazu parallelen Rückstromdioden 28 und 29 und den in Reihe geschalteten Kondensatoren 18 und 19.
Das Anlaufschaltglied 4 besteht aus den in Reihe liegenden Elementen Widerstand 21 und Kondensator 24, sowie den am gemeinsamen Verbindungspunkt angeschlossenen Diac 23 und der Anode von Diode 22. Zwischen dem Verbindungspunkt 30 der Transistoren (9; 10) und dem Verbindungspunkt 20 der Kon­ densatoren ist die Primärwicklung 14 des Lasttransformators 12 und dazu parallel die in Reihe liegenden Wicklungen 15 des Lasttransformators 12 und 16 des Ansteuertransformators 17 geschaltet. An die Sekundärwicklung 13 des Lasttransforma­ tors 12 ist über die Ausgangsklemmen die elektrische Last, z. B. eine oder mehrere Niedervolt-Halogenlampen angeschlos­ sen.
Die Sekundärwicklungen 5 und 6 des Ansteuertransformators 17 sind als Quelle der passiven Vierpole 7 und 8 geschaltet. Die Ausgänge der Vierpole 7 und 8 sind jeweils mit der Basis und dem Emitter der Transistoren 9 und 10 verbunden. Die Katode der Diode 22 führt auf den Verbindungspunkt 30 der Transistoren 9 und 10. Die zweite Anode vom Diac 23 ist mit der Basis von Transistor 10 verbunden.
Die Wicklungen 5, 6 und 16 in Fig. 2 von jeweils einer Windung werden so durch die Löcher des Transformatorkerns vom An­ steuertransformator 17 geführt, daß die Richtung des Strom­ gradienten in beiden Löchern gleich ist. Die Geometrie des Doppellochkernes vom Ansteuertransformator 17 ist so gewählt, daß mindestens eine plane Fläche parallel zur Verbindungsebene beider Löcher vorhanden ist.
In Fig. 3 wird zur Realisierung des erfindungsgemäßen Steuer­ prinzips der Abstand des Aktuators 20 des Gleichmagnetfeldes mit B 0,3 mT (im Beispiel ein Permanentmagnet) zur Verbin­ dungsebene der Löcher des unter der Gehäuseschale 31 befindli­ chen Ansteuertransformators 17 verändert. Die grundsätzlichen Bewegungsachsen des Aktuators 20 sind mit Pfeilen (1), (2) und (3) gekennzeichnet.
Das Diagramm in Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit der effekti­ ven Ausgangsspannung an der elektrischen Last von der Entfernung zwischen dem Aktuator 20 des externen magnetischen Gleichfeldes und der planen Oberfläche des Ansteuertransforma­ tors 17.
Die verwendeten Schaltungselemente für ein Vorschaltgerät zum Betrieb einer 100 W Niedervolt-Halogenlampe mit einer Betrieb­ sspannung von 12 V, sind in nachfolgender Stückliste zusammen­ gestellt.
1: Drossel, Kern E 13/4; Werkstoff N 27; 1,4 . . . 1,7 mH; parallel zum Ausgang des Blockes
1 Stück Kondensator PMKT-330; 10 nF; geeignet bis 250 V
2: 4 Stück Dioden, Typ 1N4005
3: Drossel, Kern E 13/4; Werkstoff N 27; 0,6 mH; parallel zum Eingang und Ausgang des Blockes je ein Kondensator, Typ: MKT- 330 nF; geeignet bis 400 V sowie parallel zur Drossel ein Kondensator; Typ: BF 01-07; 6,8 nF; geeignet bis 63 V
9/10: Transistor BUL 45 bzw. BUL 45F
11: Niedervolt-Halogenlampe 100 W/12 V
12: Leistungstransformator; Kern ETD-34; Werkstoff N 67
Wicklung 13: 5 Windungen
Wicklung 14/15: 52/52 Windungen bifilar gewickelt
17: Ansteuertransformator; Doppellochkern 8,3×14,3 (mm); Werkstoff N 30
Wicklung 5/6/16: je eine Windung
18/19: Kondensatoren, MKP-10; 47 nF; geeignet bis 250 V
20: Permanentmagnet-Zylinder: 12,5×8 (mm); B = 0,4 mT; Werkstoff: Maniperm 860
21: Widerstand 330 kOhm; 0,5 MBit
22: Diode SPR 100j
23: Diac BR 100-03
24: Kondensator BF 01-07; 10 nF; geeignet bis 63 Volt
25/26: Ferritröhrchen: Länge 8 mm; Durchmesser 3,5 mm; Werkstoff N 22
28/29: Diode SPR 100j.
Wie bekannt wird die Wandlerfrequenz nach der Formel
U (V): Spannung an Wicklung 5 bzw. 6
B (T): Sättigungsinduktion des Kerns 17
A (cm): Querschnittsfläche des Kerns 17
N: Windungszahl der Wicklung 5 bzw. 6
bestimmt.
Durch die in Fig. 2 gezeigte Ausführung der Wicklungen 5; 6; 16 und der damit wirksamen maximalen Fläche A ergibt sich der Vorteil geringerer Umschaltverluste (ca. 10 . . . 15%) in den Transistoren 9 und 10 sowie im Lasttransformator 12 durch die minimale Wandlerfrequenz f.
Der Einfluß eines externen Gleichmagnetfeldes auf den Ansteu­ ertransformator 17 ist gleichzusetzen mit einer Verkleine­ rung der Fläche A, d. h. einer größer werdenden Wandlerfre­ quenz f. Damit wird der Spannungsabfall am parasitären Teil der Induktivitäten 14 und 15 des Lasttransformators 12 größer und dadurch die Spannungstransformation zur Sekundärseite des Lasttransformators 12 und damit die an der Last (Lampe 11) anliegende Spannung kleiner.
Die für die möglichst einfache fertigungstechnische Gestaltung des Ansteuertransformators 17 nach Anspruch 4 gewählte Win­ dungszahl 1 für die Wicklungen 5; 6 und 16 setzt eine minimale Verstärkung h = 4 für die Transistoren 9 und 10 voraus, was dem üblichen Angebot der Transistorenhersteller entspricht. Die Anordnung der Sekundärwicklung 13 des Lasttransformators 12 in einer getrennten Kammer des Spulenkörpers hat zum Zweck:
  • - durch die geringere Kopplung zwischen Wicklung 13 und Wicklung 14; 15 wird bei Kurzschluß der Last der in Wick­ lung 15 fließende Strom begrenzt und damit eine Überla­ stung der Transistoren 9 und 10 vermieden, bzw. die mögliche Ansprechzeit weiterer Schutzmaßnahmen/Schutzschaltungen erhöht;
  • - der galvanischen Trennung zwischen der Hochspannungsseite des Vorschaltgerätes (Wicklung 14; 15) und dem Niedervolt- Lastanschluß (Wicklung 13) entsprechend den sicherheitstech­ nischen Forderungen fertigungstechnisch leichter entsprochen werden kann.
Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Steuerprinzips nach An­ spruch 3 wird der Abstand des Aktuators 20 eines Gleich­ magnetfeldes zur Verbindungsebene der Löcher des Doppelloch­ kernes des Ansteuertransformators 17 veränderbar gestaltet. In Fig. 3 sind dazu grundsätzliche Bewegungsrichtungen der Ab­ standsvariation (1), (2), (3) gekennzeichnet.
Die Kurven (1), (2) und (3) in Bild 4 stellen die Funktion dU/dL bei Variation des Aktuatorabstandes in die Richtungen (1), (2) und (3) in Fig. 3 dar. Kombinationen der Bewegungs­ richtungen (1), (2), (3) ergeben Funktionen dU/dL im Wertebe­ reich zwischen Kurve (1) und Kurve (3).

Claims (5)

1. Vorschaltgerät zum Betrieb einschließlich Dimmung einer elektrischen Last mit einem induktiven Teil der Belastung, z. B. einer Niedervolt-Halogenlampe 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, an einem Gleich- oder Wechselspannungsnetz mit einem Entstörfil­ ter (1), einem hochfrequenten Gegentaktwandler (27) mit "n" Paaren Leistungstransistoren (9; 10) mit ihren passiven Vierpolen (7; 8) zwischen Basis und Emitter, über Kondensatoren geschlossene Halbbrückenzweige, einem Anlaufschaltglied (4), einem Ansteuertransformator (7), dadurch gekennzeichnet, daß die Dimmung durch ein externes Gleichmagnetfeld, erzeugt durch den Aktuator (20) einer mag­ netischen Feldstärke von mindestens 0,3 mT, erfolgt.
2. Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Wandlerfrequenz f mitbestimmende Fläche A des An­ steuertransformators (17) durch ein externes Gleichmagnetfeld beeinflußt wird.
3. Vorschaltgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle elektronischen Komponenten in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dabei ist der Ansteuertransformator (17) unter der unmagnetischen Abdeckhaube (31) des Gehäuses so angeord­ net, daß die Fläche A des Ansteuertransformators (17) sich unmittelbar an der Unterseite der Abdeckhaube (31) befin­ det, wobei der Aktuator (20) des oben genannten Gleichmagnet­ feldes entweder mittels mechanischer Konstruktion oberhalb der Abdeckhaube (31) des Gehäuses in seinem Abstand zum An­ steuertransformator (17) veränderbar ist oder bei feststehen­ dem Abstand, die Stärke des vom Aktuator (20) ausgehenden Gleichmagnetfeldes verändert werden kann.
4. Vorschaltgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansteuertransformator (17) ein Windungsverhältnis von 1 : 1 : 1 aufweist und daß das Verhältnis zwischen Kollektor- und Basisstrom der Leistungstransistoren (9; 10) durch das Verhält­ nis der Werte oder der Zahl der geteilten parallel geschalte­ ten Komponenten gleichen Typs des Gegentaktwandlers (27), z. B. der Zahl der Primärwicklungen des Leistungstransforma­ tors (17), 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 (16) des Ansteuertransformators (17) in Serie mit einer der genannten Komponenten geschaltet wird.
5. Vorschaltgerät nach Anspruch 1, 2, 3, 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der hochfrequente Wandler (27) mit der Primär­ wicklung (14) des Leistungstransformators (12) verbunden ist, an dessen Sekundärwicklung (13) z. B. eine Niedervolt-Halogen­ lampe angeschlossen ist, dabei befinden sich die Primär- (14; 15) und Sekundärwicklung (13) des Leistungstransformators (17), welcher ohne Luftspalt aufgebaut ist, in getrennten Kammern des Wickelkörpers.
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