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Die Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät als kompakte
Stromversorgungseinheit zum Betrieb einschließlich Dimmung einer elektrischen
Last, z.B. einer Niedervolt-Halogenlampe
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und des Anspruchs 3.
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Aus dem Bereich der Hochfrequenz-Leistungswandler
sind eine Vielzahl von Vorschaltgeräten bekannt, die in der Regel
nach dem Prinzip einer selbstschwingenden Halbbrückenschaltung arbeiten.
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Es sind ebenfalls Hochfrequenz-Leistungswandler
bekannt, deren Prinzip der Dimmung auf der Einflussnahme durch ein äußeres magnetisches
Feld von mindestens 0,3mT beruht. Siehe dazu Offenlegungsschrift
Nr.:
DE 43 18 996 A1 .
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Dieses Vorschaltgerät ist in
der Regel 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) Filterblock
- (d) Einen selbstschwingenden Hochfrequenzwandler, z.B. Halbbrücke mit
einem oder mehreren Paaren parallelgeschalteter Leistungstransistoren
mit ihren passiven Vierpolen zwischen Basis und Emitter;
- (e) Einer Niedervolt-Halogenlampe mit einer Induktivität des herabsetzenden
Lasttransformators;
- (f) Einem Doppellochkern-Ansteuertransformator, dessen Primärwicklung
vom primären
Laststrom durchflossen wird und dessen Sekundärwicklung am Eingang der unter
(d) genannten Vierpole liegen.
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Hierbei zeigen sich jedoch folgende
Nachteile:
- (a) – Der herabsetzende Lasttransformator
hat eine bestimmte Induktivität
der Primärwicklung, mit
deren Hilfe bei Änderung
der Frequenz und damit der Vormagnetisierung des ganzen Doppellochkern-
Ansteuertransformators sich die Spannung an der ohmschen Last, bzw,
einer Niedervolt- Halogenlampe, achsensymetrisch ändert, was
einen komplizierteren Aufbau und größere Abmaße des Lasttransformators bedingt.
- (b) – Die
bei diesem Prinzip der Dimmung auftretende Erhöhung der Wandlerfrequenz bei
Verringerung der Spannung an der Last verursacht teilweise frequenzproportional
steigende Umschaltverluste in den Wandlertransistoren sowie im Lasttransformator
- (c) – Dieses
Dimmungsprinzip setzt eine möglichst
vollständige
Magnetisierung des gesamten Volumens des Ansteuertransformators
voraus, wofür
relativ große
magnetische Feldstärken
benötigt
werden.
- (d) – Die
bei elektrischen Verbrauchern wie diesem Vorschaltgerät anzustrebende
Verringerung der Netzbelastung durch Blindkomponenten, erfordert
eine möglichst
ideale magnetische Kopplung der Primär- und Sekundärwicklung
des Lasttransformators. Die daraus im gleichen Maße resultierende
Rechteck- Form der Ausgangsspannung ist mit dem Prinzip der bekannten
magnetischen Dimmung in ihrem Effektivwert an der Last nicht variierbar.
- (e) – Die
bei dem Prinzip der bekannten magnetischen Dimmung auftretende Variation
der Wandlerfrequenz erfordert zur Einhaltung vorgegebener Störspannungsparameter
relativ aufwendige Entstörfilter.
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Die aus den Patenten
US 5 004 959 und
US 5 165 053 A bekannten
Vorschaltgeräte
mit einer Induktivität
der Drossel, einer Leuchtstofflampe mit bestimmter Brenn- und Zündspannung
und parallel zur Lampe geschalteten Kondensator, der in Verbindung mir
der Drossel die genannte Zündspannung
erzeugt.
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Die Nachteile dieser Lösung liegen
in folgendem:
- (a) – Beide Kerne des Ansteuertransformators müssen in
der praktischen Realisierung elektrisch und mechanisch absolut identisch
aufgebaut werden.
- (b) – Es
muß eine
identische magnetische Beeinflussung beider Kerne des Ansteuertransformators
gewährleistet
sein.
- (c) – Die
konstruktiv einschränkende
Bedingung einer festen mechanischen Kopplung bzw. einer Windungsfixierung
der Ansteuertransformatoren.
- (d) – Die
Umschaltverluste in den Wandlertransistoren und der Drossel, hervorgerufen
durch die bei diesem Dimmungsprinzip auftretende Erhöhung der
Wandlerfrequenz.
- (e) – Dieses
Dimmungsprinzip setzt eine möglichst
vollständige
Vormagnetisierung des gesamten Volumens des Ansteuertransformators
voraus, wofür
relativ große
magnetische Feldstärken benötigt werden.
- (f) – Die
Notwendigkeit aufwendiger Entstörfilter, bedingt
durch die bei dem bekannten Prinzip der magnetischen Dimmung sich ändernde
Wandlerfrequenz.
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Diesen Entgegenhaltungen ist gemeinsam, den
Ansteuertransformator aus einen Doppel-Lochkern oder aus zwei Einlochkernen
aufzubauen und durch Variation der Vormagnetisierung der Kerne des Ansteuertransformators
und der sich damit ändernden
Wandlerfrequenz Einfluss auf die Effektivspannung an der Last zu
nehmen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher,
ein Vorschaltgerät
zu schaffen, welches unter Beibehaltung des Prinzips der magnetischen
Dimmung die genannten Nachteile und Einschränkungen vermeidet.
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Diese Aufgabe wird jeweils mit den
Merkmalen der voneinander unabhängigen
Patentansprüche 1
und 3 gelöst
und beruht im wesentlichen darauf, eine Änderung der Ausgangsspannung
an der Last durch die Vormagnetisierung von nur einer Hälfte des Doppellochkerns-
bzw. nur einem der beiden Einlochkerne je nach Aufbau des Ansteuertransformators
zu erreichen.
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Zur vollständigen Vormagnetisierung nur
einer Hälfte
(halbes Volumen) des Ansteuertransformators ist die benötigte magnetische
Feldstärke
gegenüber
dem bekannten Prinzip der magnetischen Dimmung entsprechend geringer
bzw. es ist für
den gleichen Variationsbereich der Ausgangsspannung bei identischer
magnetischer Feldstärke
ein räumlich größerer Abstand
zwischen dem Aktuator der magnetischen Feldstärke und dem Kern des Ansteuertransformators überbrückbar.
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Die erfindungsgemäße Vorschaltgeräte sind anhand
nachfolgenden Ausführungsbeispiele
näher veranschaulicht.
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1a zeigt
das Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betrieb einer
Niedervolt-Halogenlampe des mit einem Doppelloch-Ferritkern aufgebauten
Ansteuertransformators (28).
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In 1b ist
das Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betrieb einer
Niedervolt-Halogenlampe des aus zwei Einloch-Ferritkernen aufgebauten
Ansteuertransformators (28) dargestellt.
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2a zeigt
den Aufbau des Ansteuertransformators (28) gemäß der Schaltungsanordnung nach 1a.
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In 2b ist
der Aufbau des Ansteuertransformators (28) nach der Schaltungsanordnung
in 1b dargestellt.
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In 3a ist
die räumliche
Lage des mit einem Doppelloch-Ferritkern aufgebauten Ansteuertransformators
(28) zum externen Aktuator (32) eines magnetischen
Gleichfeldes (im Beispiel ein Permanentmagnet) und die grundsätzlichen
Bewegungsachsen (I, II, III) des Aktuators (32) zur Variation
der magnetischen Beeinflussung des Ansteuertransformators (28)
dargestellt.
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3b entspricht
der Darstellung von 2b,
nur das der Ansteuertransformator (28) hier mit zwei getrennten
Einloch-Ferritkernen aufgebaut wurde.
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4a ... d zeigen unter der Voraussetzung eines
idealen Verhaltens der eingesetzten Bauelemente und dem Aufbau des
Ansteuertransformarors (28) nach 3a,b den
Verlauf der Ausgangsspannung U als Funktion der Zeit bei unterschiedlicher Aufteilung
der Spannung an den Kondensatoren (25) und (26)
als Parameter und in quantitativer Darstellung im Beispiel bei 30°, bzw. 150° und 90° Phasenwinkel.
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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; 29 und 30)
kennzeichnet den Wicklungsanfang.
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Parallel zu den Eingangsklemmen der
Gleich oder Wechselspannungsspeisung ist ein Filterblock (1)
angeordnet, dessen Ausgang auf den Graetzgleichrichter (2)
führt.
Der Gleichspannungsausgang des Gleichrichters (2) wird über den
Filterblock (3) an das Anlaufschaltglied (4) sowie
an die zwei Arme der Halbbrücke,
bestehend aus den Transistoren (16; 17) mit den
dazu parallelen Rückstromdioden
(18;19) den in Reihe geschalteten Kondensatoren
(25; 26) geführt.
Die Primärwicklung
(29; 30) des Ansteuertransformators (28)
liegt zwischen dem Verbindungspunkt (24) und einem Anschluss
des Kondesators (27). Der andere Anschluss des Kondensators
(27) ist mit dem Minuspol des Wandlers (31) verbunden.
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Das Anlaufschaltglied (4)
besteht aus den in Reihe liegenden Widerstand (5) und Kondensator (8),
sowie den am gemeinsamen Verbindungspunkt angeschlossenen Diac (7)
und der Anode von Diode (6). Zwischen dem Verbindungspunkt
(15) der Transistoren (16; 17) und dem
Verbindungspunkt (24) der Kondensatoren (25; 26)
ist die Primärwicklung
(23) des Lasttransformatos (22) geschaltet. An
die Sekundärwicklung
(21) des Lasttransformators (22) ist über Ausgangsklemmen
die elektrische Last, z.B. eine oder mehrere Niedervolt-Halogenlampen
(20) angeschlossen.
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Die Sekundärwicklungen (9; 10)
des Ansteuertransformators (28) sind als Quelle der passiven Vierpole
(11; 12) geschaltet. Die Ausgänge der Vierpole (11; 12)
sind jeweils mit der Basis und dem Emitter der Transistoren (16; 17)
verbunden. Die Kathode der Diode (6) führt auf den Verbindungspunkt
(15) der Transistoren (16; 17). Die zweite
Anode vom Diac (7) ist mit der Basis vom Transistor (17)
verbunden.
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Die Anordnung der Doppellochkerne
des Ansteuertransformators (28) im Aufbau nach 2a ist so gewählt, das
die Lochachse des sich unter der Abdeckhaube befindlichen Doppellochkernes
orthogonal zur Nord-Süd-Achse
des externen Gleichmagnetfeldes verläuft und die Querachse (Aq)
des Doppellochkernes orthogonal zur Ebene der Abdeckung verläuft.
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Bei einem Aufbau des Ansteuertransformators
(28) nach 2b bezieht
sich genannte Achszuordnung auf den Einlochkern (29). Die
konstruktive Anordnung des Einlochkerns (30) ist so zu
wählen, das
keine Vormagnetisierung durch das externe magnetische Feld erfolgen
kann.
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In 3 wird
zur Realisierung des erfindungsgemäßen Steuerprinzips die quantifizierbare Einflussnahme
eines externen Gleichmagnetfeldes, ausgehend von einem Aktuator
(32), z.B. einem Permanentmagneten, auf den Kern (28.1)
des unter der Gehäuseschale
(33) befindlichen Ansteuertransformators (28)
dargestellt. Die Änderung
der wirksamen Feldstärke
auf den Kern (28.1) des Ansteuertransformators (28)
erfolgt in der Darstellung durch Abstandsänderung zwischen dem Kern (28.1)
des Ansteuertransformators (28) und dem Aktuator (32)
unter Beibehaltung der Achsenzuordnung gemäß 2a bzw. 2b.
Die grundsätzlichen
Bewegungsachsen des Aktuators (32) sind mit Pfeilen (I;
II, III) gekennzeichnet.
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4a zeigt über eine
Periodendauer den Spannungsverlauf an den Kondensatoren (25 und gestrichelt
26+27) mit der Unsymmetrie des Spannungsverlaufs als Parameter.
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In 4b ... d ist das jeweils zugehörige Integral der hochfrequenten
Spannung über
die Zeit an den Kondensatoren (25 und 26+27)
unter der Voraussetzung eines idealen Bauelementeverhaltens dargestellt.
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Die verwendeten Schaltungselemente
für Vorschaltgerät zum Betrieb
einer 100W Niedervolt-Halogenlampe mit einer Nennspannung von 12V sind
nachfolgend zusammengestellt.
- 1: Drossel, Kern
E 13/4; Werkstoff N27; 1,4...1,7mH.
Parallel zum Ausgang des
Blocks
1 Stück
Kondensator PMKT-330; 10nF; geeignet bis 250V Wechselspannung
- 2: 4 Stück
Dioden, Typ 1N4005
- 3: Drossel, Kern 13/4; Werkstoff N27; 06mH.
Parallel zum
Eingang und Ausgang des Blockes je 1 Stück MKT-Kondensator; 330nF;
geeignet bis 400V Gleichspannung sowie
parallel zur Drossel 1 Stück Kondensator;
Typ BF 01-07; 6,8nF; geeignet bis 63V-
- 5: Widerstand 330kOhm; 500mW
- 6: Diode SRP 100J
- 7: Diac BR 100-03
- 8: Kondensator BF 01-07; 10nF; geeignet bis 63V-
- 13/14: Ferritröhrchen;
Länge 8mm;
Durchmesser 3,5mm; WerkstoffN22
- 16/17: Transistor BUL 45
- 18/19: Diode SPR 100j
- 20: Niedervolt-Halogenlampe; 12V; 100VA
- 22: Lasttransformator, Kern U25/13; WerkstoffMf 198
Wicklung
21: 6 Windungen
Wicklung 23: 55 Windungen
- 25: Kondensator MKP-10; 47nF; geeignet bis 400V-
- 26/27: Kondensator MKP-10; 22nF; geeignet bis 400V-
- 28: Ansteuertransformator; Doppellochkern 8,3 × 14,3
(mm)
Werkstoff N30
Wicklung 29/30: je eine Windung
Wicklung
9110: je eine Windung
- 32: Permanentmagnet; zylindrisch 12,5 x 8 (mm}
Werkstoff
Maniperm 860
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Wie bekannt wird die Einschaltdauer
der Wandlertransistoren ohne Einfluss eines externen Magnetfeldes
nach der Formel
U (V): Spannung an Wicklung
29 bzw.
30 B
(T): Sätigungsinduktion
des Kernes
28.1 oder
28.2 oder der Hälfte des
Doppelloch-Kernes
A
(qcm): Querschnittsfläche
des Kernes
28.1 oder
28.2 oder der Hälfte des
Doppellochkernes
28 N: Windungszahl der Wicklung
29 bzw.
30 bestimmt.
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Der Einfluss der Vormagnetisierung
des Ansteuertransformators (28) durch ein externes Gleichmagnetfeld
(z.B. durch einen Permanentmagneten (32)), welches auf
eine Hälfte
des Doppellochkernes (28), bzw. auf einen der beiden Einlochkerne
(28.1 oder 28.2) beschränkt bleibt, ist in seiner Wirkung gleichzusetzen
mit einer Verkleinerung der Fläche
A oder der Sättigungsinduktion
B und daraus folgend einer kürzer
werdenden Einschaltdauer des betreffenden Wandlertransistors (16 oder 17).
Die damit unterschiedliche Einschaltdauer der Wandlertransistoren
(16, 17) bedeutet für die Kondensatoren (25 und 26+27)
unterschiedliche Lade- und Entladezeiten, die zu einer gegenläufigen Unsymmetrie
der Spannungsverteilung über
die genannten Kondensatoren führt,
wobei aber jeweils das Spannungsintegral über die Zeit am Kondensator
(25) und Kondensator (26+27) im Betrag
stets gleich bleibt, d. h. eine geringere Einschaltdauer des Wandlertransistors
(16) gegenüber
dem Wandler-Transistor
(17) aufgrund einer Vormagnetisierung des Ansteuertransformators (28.1)
durch die Einwirkung eines externen Gleichmagnetfeldes, führt zu einer Änderung
der Spannungsverteilung über
den Kondensatoren (25 und 26+27) in Richtung
einer höheren
Spannung über dem
Kondensator (25). Die Schaltzeit- und Spannungshältnisse
kehren sich bei der Vormagnetisierung des anderen Ansteuer-Transformators (28.2) um.
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Der Differenzspannungsbetrag zur
symmetrischen Spannungsverteilung (siehe 4a) kann als Gleichspannungskomponente
mit 100Hz Welligkeit nicht über
den Last-Transformator
(22) auf die Sekundärwicklung
(21) transformiert werden, sondern es steht nur wie aus 4b ... d erkennbar,
eine geringere Effektivspannung als bei Symmetrie zur Transformation
an die angeschlossene elektrische Last (20) zur Verfügung, d.h.
es verkleinert sich mit zunehmender Vormagnetisierung des Ansteuer-Transformators eines
Wandlertransistors die Effektivspannung an der Last. Bei vollständiger Vormagnetisierung
nur eines Kernes des Ansteuertransformators (28.1 oder 28.2)
wird der Wert der Effektivausgangsspannung, nur noch bestimmt vom
Restwert der Überlagerungspermeabilität des Kernmaterials,
nahe Null sein. Weiterhin ist aus 4a ... d ersichtlich, dass bei der Vormagnetisierung
nur eines Kernes (28.1 oder 28.2) des Ansteuertransformators (d.h.
dem Ausschluss der auch nur teilweisen oder geringeren Vormagnetisierung
des zweiten Kernes, bzw. Kernhälfte
bei Verwendung eines Doppellochkernes) die Wandlerfrequenz nicht
beeinflusst wird. Abweichungen von dieser idealen Voraussetzung
ergeben mehr oder weniger zusätzlich
eine Änderung der
Wandlerfrequenz und eine VerMinderung der Spannungsdifferenz an
den Kondensatoren.
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Gegenüber dem Betrieb des Lasttransformators
(22) mit symmetrischer Ansteuerung (ohne Vormagnetisierung
einer Hälfte
des Ansteuertransformators), ergibt sich bei unsymmetrischer Ansteuerung (bei
Vormagnetisierung einer Hälfte
des Ansteuertransformators) auch im Extremfall der Unsymmetrie kein
höherer
Strom durch den Lasttransformator (22) und damit keine
Veränderung
der Eckpunkte des Arbeitsbereiches im B = f(H)-Kennlinienfeld des
Kernmaterials, d.h. keine Notwendigkeit, ein Kernmaterial mit höherer Sättigungsinduktion
einsetzen zu müssen,
bzw. den Lasttransformator neu zu berechnen.
