DE4433552B4 - Elektronischer HF-Dimmer für Hoch- und Niedervoltglühlampen - Google Patents
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Abstract
Elektronischer HF-Dimmer zum Betreiben und Dimmen von Hochvolt-Glühlampen mit hohem Leistungsfaktor und geringen Netzstrom-Oberschwingungen, bestehend aus einem Funkenstörfilter (1), einem Zweiweggleichrichter (2), einem Spannungswandler zur Erzeugung einer IC-Versorgungsspannung (3), einem HF-Generator (4) mit integriertem Pulsweiten-Modulator (PWM), der vier Halbleiterschalter (S1 bis S4) in Vollbrückenanordnung mit gleichem Tastverhältnis ansteuert, wobei zwei diagonal gegenüberliegende Schalter (S2, S3) vom PWM-Signal gleichphasig und die anderen diagonal gegenüberliegenden Schalter (S1, S4) vom invertierten PWM-Signal gegenphasig angesteuert werden und die Hochvolt-Glühlampe (L1) in der Brückendiagonalen (A, B) liegt.
Description
- Unter Netzrückwirkung versteht man die Wirkung von nichtsinusförmigen Verbraucherströmen am Innenwiderstand (Generator und Leitungen) des speisenden Netzes mit der Folge einer unerwünschten Spannungsverzerrung (Abweichung von der Sinusform) der Netzspannung. Ein hoher Leistungsfaktor (λ ≈ 1) reduziert die Blindströme und damit die ohmschen Verluste in den Netzleitungen der Stromversorgungsunternehmen.
- Verbraucher mit nichtsinusförmiger, impulsförmiger Stromaufnahme sind z. B.: TV-Empfänger, HiFi-Geräte, Computer, Meß-, Steuer- und Regelgeräte, Dimmer für Glühlampen, dimmbare elektronische Transformatoren für Niedervolt-Halngenglühlampen, einfache elektronische Entladungslampenvorschaltgeräte ohne passive oder aktive Oberschwingungsbegrenzungsfilter, sowie eine Vielzahl von Geräten, wo Phasenanschnitt- bzw. Abschnittsteuerungen mit Halbleiterbauelementen der Leistungselektronik zur Anwendung kommen.
- Bei modernen elektronischen HF-Dimmern (EHFD) für Lampen sind daher ein Leistungsfaktor 1 und ein geringer Oberschwingungsgehalt anzustreben. Beides kann mit konventionellen Schaltnetzteilen – welche pulsförmige Ströme aufnehmen – nicht erreicht werden.
- Elektronische HF-Dimmer für Lampen senken die Energiekosten für die Beleuchtung und schonen die Umwelt durch Reduzierung von Kraftwerksemissionen.
- Der Stand der Technik geht aus nachfolgenden Veröffentlichungen hervor:
- 1. STURM, C. H.; KLEIN, E.: Betriebsgeräte und Schaltungen für elektrische Lampen: Vorschaltgeräte, Transformatoren, Starter, Lampen und Leuchten, Normen. 6., neubearb. Aufl. Berlin (u. a.): Siemens-Aktienges., 1992, S. 295–304, ISBN: 3-8009-1586-3
- 2. LIMANN, O; PELKA, H: Elektronik ohne Ballast. 7., neu bearb. Aufl. München; Franzis, 1987, S. 458, ISBN 3-7723-5617-6
- 3. SÖYLEMEZ, A. I.: Gegentakt-Schaltnetzteil mit IGBTs. In: Elektronik, 1990, H. 22, S. 196–203
- 4.
EP 0 460 736 A1 - 5. QUINN, H. P.: POWER REGULATOR FOR A RESISTIVE LOAD. In: XEROX DISCLOSURE JOURNAL, Vol. 3, Nov/Dec 1978
- In 1 werden elektronische Transformatoren für Niedervolt-Glühlampen beschrieben.
- In 2 sind Auswahlkriterien für Durchflusswandler- und Sperrwandler-Varianten angegeben.
- In 3 wird ein PWM-Gegentakt-Schaltnetzteil als Dimmschaltung für Niedervolt-Glühlampen beschrieben.
- In 4 wird ein elektronischer Transformator für Niedervolt-Glühlampen mit einer Stabilisierungsschaltung für die Lampenspannung erläutert.
- In 5 ist ein Leistungsregler für eine ohmsche Last (z. B. Glühlampe) angegeben, wobei die Regelung durch einen PWM-Regler erfolgt.
- In
2 ist zum weiteren Stand der Technik eine Schaltung angegeben, die zur Dimmung einer Glühlampe mit einem von einem PWM-Modulator gesteuerten elektronischen Schalter dient. - Sollen Hochvoltglühlampen (z. B. für 230 V) gedimmt werden, kann diese einfache Schaltung verwendet werden, die ebenfalls beim Dimmen dem Netz einen weitestgehend sinusförmigen Strom entnimmt, der mit der Netzspannung in Phase ist.
- Zum Dimmen der Glühlampe L (ohmsche Last) genügt ein Halbleiterschalter S. Die HF-Spannung wird sinusförmig moduliert und der gefilterte, dem Netz entnommene Strom ist wiederum weitestgehend sinusförmig, d. h., diese Dimmschaltung wirkt gegenüber dem speisenden Netz wie ein quasi "ohmscher Verbraucher", wobei der Leistungsfaktor sehr hoch und der Oberschwingungsgehalt des aufgenommenen Netzstroms sehr gering ist.
- Die erfindungsgemäße Aufgabe ist die Realisierung eines elektronischen HF-Dimmers zum Betrieb von Hochvoltglühlampen mit sehr hohem Leistungsfaktor und äußerst geringen Netzstromoberschwingungen. Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Die Erfindung wird anhand des Schaltplans in
1 erläutert. - Die Netzspannung gelangt nach
1 über ein Funkentstörungsfilter1 und einen Zweiweggleichrichter2 auf eine durch vier Halbleiterschalter S1. . .S4 (z. B. MOS-FET's, IGBT's, Bipolar-Transistoren) gebildete Brückenschaltung, in deren Diagonale (A. . .B) direkt Hochvoltglühlampen und gleichzeitig über einen HF-Tansformator Niedervoltglühlampen betrieben werden können. - Die Ansteuerung der vier Halbleiterschalter erfolgt mit einem HF-Generator mit integriertem Pulsweitenmodulator (PWM)
4 , der mittels eines Spannungswandlers3 versorgt wird. - Der Pulsweitenmodulator erzeugt zwei gegenphasige Rechtecksignale mit variablem Tastverhältnis (PWM und PWM), wobei das PWM-Signal die Schalter S2 und S3 gleichphasig und das invertierte PWM-Signal die Schalter S1 und S4 gleichphasig ansteuern. Die notwendige Potentialtrennung für die Halbleiterschalter S1 und S3 geschieht durch die Potentialtrennbauelemente P1 und P3 (z. B. Impuls-Übertrager, Optokoppler, Hochvolttreiber-IC usw.).
- Es ergibt sich bei dieser Betriebsweise in der Brückendiagonalen (A. . .B) eine mit der Netzspannung (50 Hz) modulierte HF-Spannung (z. B. 40 kHz) mit variabler Pulsbreite, wodurch ein Dimmen ermöglicht wird.
- Durch die vollkommen symmetrische PWM-Steuerung der Vollbrücke ist der HF-Verbraucherstrom durch Hochvoltglühlampen L1 öder HF-Transformatoren Tr mit sekundärseitig angeschlossenen Niedervoltglühlampen L2 in der Brückendiagonalen gleichfalls sinusförmig moduliert mit dem großen Vorteil, daß – auch beim Dimmen – der über das Funkentstörfilter geglättete 50 Hz-Netzstrom weitestgehend sinusförmig und nahezu in Phase mit der Netzspannung ist.
Claims (6)
- Elektronischer HF-Dimmer zum Betreiben und Dimmen von Hochvolt-Glühlampen mit hohem Leistungsfaktor und geringen Netzstrom-Oberschwingungen, bestehend aus einem Funkenstörfilter (
1 ), einem Zweiweggleichrichter (2 ), einem Spannungswandler zur Erzeugung einer IC-Versorgungsspannung (3 ), einem HF-Generator (4 ) mit integriertem Pulsweiten-Modulator (PWM), der vier Halbleiterschalter (S1 bis S4) in Vollbrückenanordnung mit gleichem Tastverhältnis ansteuert, wobei zwei diagonal gegenüberliegende Schalter (S2, S3) vom PWM-Signal gleichphasig und die anderen diagonal gegenüberliegenden Schalter (S1, S4) vom invertierten PWM-Signal gegenphasig angesteuert werden und die Hochvolt-Glühlampe (L1) in der Brückendiagonalen (A, B) liegt. - Elektronischer HF-Dimmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenanordnung mit den Halbleiterschaltern (S1 bis S4) mit zweiweggleichgerichteter Netz-Sinusspannung gespeist wird.
- Elektronischer HF-Dimmer nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brückendiagonalen die Hochvoltglühlampen direkt und gleichzeitig Niedervoltglühlampen (L2) über einen HF-Transformator (Tr) betrieben werden.
- Elektronischer HF-Dimmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Netzphasenpotenzial verbundenen Halbleiter (S1, S3) über Potenzialtrennbauelemente und die mit Nulleiterpotenzial verbundenen Halbleiterschalter (S2, S4) galvanisch direkt vom Pulsweitenmodulator (PWM) angesteuert werden, wobei als Halbleiterschalter MOS-FET's, IGBT's oder Bipolartransistoren verwendet werden.
- Elektronische HF-Dimmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Potenzialtrennbauelemente wahlweise Impulsübertrager, Optokoppler, Hochvolttreiber-IC's verwendet werden.
- Elektronische HF-Dimmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Dimmeingang mittels einer Steuergleichspannung, 1. . .10 V, das Tastverhältnis der PWM-Signale verändert werden kann.
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