DE4318996C2 - Dimmbares Vorschaltgerät - Google Patents

Dimmbares Vorschaltgerät

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Description

Die Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät zum Betrieb ein­ schließlich Dimmung einer elektrischen Last mit einem induk­ tiven Teil der Belastung, z. B. einer Niedervolt- Halogenlampe, gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches und stellt eine kom­ pakte 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, wie sie z. B. von M. BAIRANZADA, "Elektronik- Journal", Heft 14/1992, S. 23-26, von J. WÜSTENHUBE, "Schaltnetzteile" S. 34-39, 1979, Expert- Verlag und in US 50 04 959 beschrieben werden. Zum Betrieb von Niedervoltlampen findet man nähere Hinweise von W. HIRSCHMANN, "Elektronikschaltungen" S. 144-150, 1982, Siemens AG.
Diese Vorschaltgeräte sind in der Regel aus folgenden Kompo­ nenten aufgebaut:
  • - Filter zur Unterdrückung von Störungen aus dem Netz und zur Vermeidungen von Störungen in das Netz,
  • - Gleichrichter verschiedenen Typs,
  • - Glättungsfilter oder keine,
  • - selbstschwingende Hochfrequenzwandler, z. B. Halbbrücken mit "n" Paaren Transistoren mit ihren passiven Vierpolen zwischen Basis und Emitter,
  • - ein Anlaufschaltgerät mit oder ohne variablen Widerstand zur Variation der Effektivspannung an der Last,
  • - einen oder mehreren Ansteuertransformator(en), deren bzw. dessen Primärwicklung vom primären Laststrom durchflossen wird und deren bzw. dessen Sekundärwicklungen am Eingang der ge­ nannten Vierpole liegen.
Das aus der US 50 04 959 bekannte Vorschaltgerät hat bedingt durch die Notwendigkeit von zwei Ansteuertransformatoren Nachteile in bezug auf
  • - die praktische Realisierung identischer konstruktiver, elek­ trischer und magnetischer Parameter derselben,
  • - die Gewährleistung einer in jeder Richtung gleichen magne­ tischen Beeinflussung beider Ansteuertransformatoren,
  • - die konstruktiv einschränkende Bedingung einer festen mecha­ nischen Fixierung der Ansteuertransformatoren zueinander.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Vorschaltgerät zu schaffen, welches einen fertigungstechnisch vereinfachten Aufbau des Ansteuertransformators ermöglicht und mit dem eine exakte Leistungsregelung möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Vorschaltgerät mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Zur Realisierung der fertigungstechnisch günstigen Windungs­ zahl 1 jeder Wicklung des Ansteuertransformators wird dabei die Primärwicklung des Ansteuertransformators in einen paral­ lelen Zweig zum Lasttransformator gelegt, so daß sich eine gleiche Stromaufteilung zwischen beiden Zweigen ergibt.
Das erfindungsgemäße Vorschaltgerät wird anhand des nachfol­ genden Ausführungsbeispieles näher veranschaulicht.
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 Ansteuertransformators 17 zum Aktuator 20 eines externen magnetischen Gleichfeldes (im Beispiel ein Permanentmagnet) und grundsätzliche Bewe­ gungsachsen des Aktuators 20 zur Variation der magnetischen Beeinflussung des Ansteuertransformators 17 dargestellt.
Fig. 4 zeigt im Diagramm die qualitative Abhängigkeit der Ef­ fektivspannung 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 in Fig. 1 auf eine nähere Kennzeichnung der Ein- und Ausgangs­ klemmen sowie der Schutzelemente (Sicherung, Überspannungs­ schutz) verzichtet. Ausführliche Darstellungen dazu sind aus der Literatur bekannt.
Die Punktkennzeichnung an den Windungen 5, 6 und 16 bezeichnet den Wicklungsanfang.
Parallel zu den Eingangsklemmen der Gleich- oder Wechselspan­ nungsspeisung ist ein Filterblock 1 angeordnet, dessen Aus­ gang 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, bestehend aus den Transistoren 9 und 10 mit den dazu parallelen Rückstromdioden 28 und 29 und den in Reihe geschal­ teten Kondensatoren 18 und 19 gelegt. Das Anlaufschaltglied 4 besteht aus den in Reihe liegenden Elementen Widerstand 21 und Kondensator 24 sowie den am gemeinsamen Verbindungspunkt 30 angeschlossenen Diac 23 und der Anode von Diode 22. Zwischen dem Verbindungspunkt 30 der Transistoren 9, 10 und dem Verbin­ dungspunkt 20 der Kondensatoren ist die Primärwicklung 14 des Lasttransformators 12 und dazu parallel die in Reihe liegenden Wicklungen 15 des Lasttransformators 12, 16 des Ansteuertrans­ formators 17 geschaltet. An die Sekundärwicklung 13 des Last­ transformators 12 ist über die Ausgangsklemmen die elektrische Last, z. B. eine oder mehrere Niedervolt- Halogenlampen, ange­ schlossen.
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 Transformatoren 9 und 10 verbunden.
Die Kathode der Diode 22 führt auf den Verbindungspunkt 30 der Transistoren 9 und 10. Die zweite Anode des Diac 23 ist mit der Basis des Transistors 10 verbunden.
Fig. 2 zeigt den Ansteuertransformator. Die Wicklungen 5, 6 und 16 von jeweils einer Windung werden so durch die Löcher des Transformatorkerns des Ansteuertransformators 17 geführt, daß die Richtung des Stromgradienten in beiden Löchern gleich ist. Die Geometrie des Doppellochkernes des Ansteuertransformators 17 ist so gwählt, daß mindestens ein plane Fläche parallel zur Verbindungsebene beider Löcher vorhanden ist.
Gemäß Fig. 3 wird zur Realisierung des erfindungsgemäßen Steuerprinzips der Abstand des Aktuators 20 des Gleichmagnet­ feldes mit B = 0,3 mT (im Beispiel ein Permanentmagnet) zur Verbindungsebene der Löcher des unter der Gehäuseschale 31 befindlichen Ansteuertransformators 17 verändert. Die grund­ sätzlichen Bewegungsachsen des Aktuators 20 sind mit Pfeilen (1), (2) und (3) gekennzeichnet.
Das Diagramm gemäß Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit der effektiven 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 Be­ triebsspannung von 12 V sind in der nachfolgenden 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 Kondensator PMKT - 330 (Philips Comp.), 10 nF, geeignet bis 250 V
2 4 Dioden, Typ 1N4005 (General Instr.)
3 Drossel, Kern E 13/4, Werkstoff N 27 (Siemens)
Induktivität 0,6 mH und parallel zum Ein- und Ausgang des Blockes je ein Kondensator, Typ MKT - 373 (Philips Comp.) 330 nF, geeignet bis 400 V, sowie parallel zur Drossel ein Kondensator Typ BF01-07 (Thomson), 6,8 nF, geeignet bis 63 V
9/10 Transistor BUL 45 bzw. BUL 45F (Motorola)
11 Niedervolt- Halogenlampe, 100 W/12 V
12 Leistungstransformator Kern ETD-34, Werkstoff N67 (Siemens)
Wicklung 13: 5 Windungen
Wicklung 14/15: 52/52 Windungen, bifilar gewickelt
17 Ansteuertransformator, Doppellochkern 8,3 × 14,3 mm Werkstoff N30 (Siemens), Wicklung 5/6/16, je 1 Windung
18/19 Kondensatoren MKP-10 (Wima) 47 nF, geeignet bis 250 V
20 Permanentmagnet, zylindrisch, 12,5 × 8 mm, B = 0,4 mT
Werkstoff Maniperm 860 (Tridelta)
21 Widerstand 330 kOhm, 0,5 W
22 Diode SRP 100j (General Instr.)
23 Diac BR 100-03 (Philips Comp., SGS-Thomson)
24 Kondensator BF 01-07 (Thomson) 10 nF, geeignet bis 63 V
25/26 Ferritröhrchen, Länge 8 mm, Durchmesser 3,5 mm Werkstoff N22 (Siemens)
28/29 Diode SRP 100j (General Instr.)
Wie bekannt, wird die Wandlerfrequenz nach der Formel
U (V): Spannung an Wicklung 5 bzw. 6
B (T): Sättigungsinduktion des Kerns 17
A (cm2): Querschnittsfläche des Kerns 17
N: Windungszahl der Wicklung 5 bzw. 6
bestimmt.
Durch die in Fig. 3 gezeigte Ausführung der Wicklungen 5, 6 und 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 An­ steuertransformator 17 ist gleizusetzen mit einer Verkleine­ rung der Fläche A, d. h. einer größer werdenden Wandlerfrequenz f. Damit wird der Spannungsabfall am parasitären Teil der In­ duktivitäten 14 und 15 des Lasttransformators 12 größer und dadurch die Spannungstransformation zur Sekundärseite des Lasttransformators 12 und damit die an der Last (Lampe 1) an­ liegende Spannung kleiner.
Die für eine möglichst einfache fertigungstechnische Gestaltung des Ansteuertransformators 17 gewählte Windungszahl 1 für die Wicklungen 5, 6, und 16 setzt eine minimale Verstär­ kung h = 4 für die Transistoren 9 und 10 voraus, was dem üblichen Angebot der Transistoren- Hersteller 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 Wicklung 15 fließende Strom begrenzt und damit eine Überlastung der Transistoren 9 und 10 vermieden, bzw. die mögliche Ansprech­ zeit weiterer Schutzmaßnahmen/Schutzschaltungen erhöht,
  • - der galvanischen Trennung zwischen der Hochspannungsseite des Vorschaltgerätes (Wicklung 14, 15) und dem Niedervolt- Lastanschluß (Wicklung 13) entsprechend den sicherheitstechni­ schen Forderungen kann fertigungstechnisch leichter entspro­ chen werden.
Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Steuerprinzips wird z. B. der Abstand des Aktuators 20 eines Gleichmagnetfeldes zur Verbindungsebene der Löcher des Doppellochkernes des Ansteuer­ transformators 17 veränderbar gestaltet. In Fig. 3 sind dazu grundsätzliche Bewegungsrichtungen der Abstandsvariation (1), (2), (3) gekennzeichnet.
Die Kurven (1), (2) und (3) in Fig. 4 stellen schließlich die Funktion dU/dL bei Variation des Aktuatorabstandes in die Richtungen (1), (2) und (3) in Fig. 3 dar. Kombinationen der Bewegungsrichtungen (1), (2), (3) ergeben Funktionen dU/dL im Wertebereich zwischen Kurve (1) und Kurve (3).

Claims (4)

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 zur Spannungserhöhung, an einem Gleich- oder Wechselspannungsnetz mit einem Entstörfilter (1), einem hochfrequenten Gegentakt­ wandler (27) mit "n" Paaren Leistungstransistoren (9; 10) mit ihren passiven Vierpolen (7; 8) zwischen Basis und Emitter, über Kondensatoren geschlossene Halbbrückenzweige, einem An­ laufschaltglied (4), einem Ansteuertransformator (17), dadurch gekennzeichnet, daß die Dimmung durch ein externes Gleich­ magnetfeld, erzeugt durch einen bewegten Aktuator (20) einer magnetischen Feldstärke von mindestens 0,3 mT, erfolgt, wobei die die Wandlerfrequenz f mitbestimmende Fläche A des An­ steuertransformators (17) durch das externe Gleichmagnetfeld beeinflußt wird.
2. Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansteuertransformator (17) unter der unmagnetischen Ab­ deckhaube (31) des Gehäuses so angeordnet ist, daß die Fläche A des Ansteuertransformators (17) sich unmittelbar an der Unterseite der Abdeckhaube (31) befindet, wobei der Aktuator (20) des Gleichmagnetfeldes entweder oberhalb der Abdeckhaube (31) des Gehäuses in seinem Abstand zum Ansteuertransformators (17) veränderbar ist oder bei feststehendem Abstand die Stärke des vom Aktuator (20) ausgehenden Gleichmagnetfeldes veränder­ bar ist.
3. Vorschaltgerät mit dem Windungszahlverhältnis 1 : 1 : 1 des Ansteuertransformators (17) nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verhälltnis zwischen Kollektor- und Basis­ strom der Leistungstransformatoren (9; 10) durch das Verhält­ nis der Werte oder der Zahl der geteilten parallel geschalte­ ten Komponenten gleichen Typs des Gegenkontaktwandlers (27), z. B. der Zahl der Primärwicklungen des Leistungstransformators (17) oder der Zahl der Wicklungen der Drossel oder dem Ver­ hältnis der Kapazitätswerte bei Verwendung von zwei Kondensatoren in einem Arm des Gegenkontaktwandlers oder der Zahl der Paare der parallel geschalteten Leistungstran­ sistoren bestimmt wird, wobei die Primärwicklung (16) des Ansteuertransformators (17) in Serie mit einer der genannten Komponenten geschaltet ist.
4. Vorschaltgerät mit einer Niedervolt- Halogenlampe (11) und dem herabsetzenden Leistungstransformator (12) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der hochfrequente Wandler (27) mit der Primärwicklung (14) des Leistungstrans­ formators (12) verbunden ist, an dessen Sekundärwicklung (13) z. B. eine Niedervolt- Halogenlampe angeschlossen ist, wobei sich die Primär- (14; 15) und Sekundärwicklung (13) des Leistungstransformators (17), welcher ohne Luftspalt aufgebaut ist, in getrennten Kammern des Wickelkörpers befinden.
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