DE69201882T2

DE69201882T2 - Dimmer mit minimalen Filterungsverlusten für eine Leistungslast.

Info

Publication number: DE69201882T2
Application number: DE69201882T
Authority: DE
Inventors: Jean Audbert
Original assignee: Legrand SA
Current assignee: Legrand SA
Priority date: 1991-01-21
Filing date: 1992-01-17
Publication date: 1995-08-03
Anticipated expiration: 2012-01-18
Also published as: EP0496654A1; CA2059683A1; EP0496654B1; FR2671930A1; CA2059683C; FR2671930B1; ATE120924T1; DE69201882D1; US5179324A

Description

Die Erfindung betrifft einen Dimmer für eine Leistungslast, insbesondere eine Glühlampe, die an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen ist, welcher Dimmer über Eingangs- und Ausgangsklemmen in eine Versorgungsleitung der Last eingesetzt wird und ein Triac mit zwei Haüptelektroden aufweist, von denen eine erste an die Eingangsklemme angeschlossen ist und die zweite mit der Ausgangsklemme verbunden ist, mit einem Steuerkreis, der mit einstellbarer Verzögerung ein Zündsignal an das Triac sendet, welches mit der Spannung zwischen den Klemmen synchronisiert ist, mit einer Filterinduktivität, die mit einem Ende mit der zweiten Elektrode des Triac verbunden und mit einem zweiten Ende an die Ausgangsklemme angeschlossen ist, und mit einer Filterkapazität, die zwischen Eingangs- und Ausgangsklemme gelegt ist.
Ein Dimmer mit zwei Triacs, von denen der eine den zweiten kurzschließt, ist aus der Druckschrift GB-A-2 187 899 bekannt. Jedoch sind die beiden Triacs jeweils mit der Filterinduktivität in Reihe geschaltet.
Dimmer mit einer Schaltvorrichtung zum Triggern der Leitung und mit einem zum Triggern der Leitung mit einstellbarer Verzögerung beim Nulldurchgang der Spannung an den Klemmen der Schaltvorrichtung geeigneten Steuerkreis sind an sich seit langem bekannt. Die Entwicklung von in großen Stückzahlen und mit geringen Kosten hergestellten Halbleitervorrichtungen, Thyristoren und Triacs hat die Ausweitung der Verwendung solcher Dimmer für den häuslichen Anwendungsbereich ermöglicht, wie unter anderem die Einstellung der von Beleuchtungseinrichtungen gelieferten Lichtintensität.
Das Prinzip selbst der Einstellung der an eine Leistungslast gelieferten Leistung durch Triggern mit einstellbarer Verzögerung einer Schaltvorrichtung, wobei die Impedanz dieser Einrichtung in einer gegenüber der Periode der Versorgungswechselspannung sehr kurzen Zeit von einem gegenüber der Impedanz der Last sehr großen Wert zu einem gegenüber dieser Impedanz vernachläßigbaren Wert übergeht, ruft an den Anschlußklemmen der Last beachtliche Spannungssprünge hervor. Ohne besondere Vorkehrungen ruft jede Zündung einen momentanen Stromsog auf das Speisenetz hervor, vor allem wenn die Last im wesentlichen Wirkleistung aufnimmt. Diese Schwankungen bilden unerwünschte Störungen im Netz.
Ebenso werden Dimmer mit Filterelementen vom Tiefpaß-Typ ausgerüstet, die in herkömmlicher Weise aus einer zur Last in Reihe geschalteten Induktivität und einer parallel geschalteten Kapazität bestehen. Die Werte dieser Bestandteile werden unter Berücksichtigung der Eigenimpedanz der Last bestimmt, damit in Bezug auf die Impedanz der Last die Impedanz der Induktivität gegenüber der Netzfrequenz gering und gegenüber den harmonischen Frequenzen groß ist, die durch die Zündungen der Schalteinrichtung erzeugt werden, während für diese Frequenzen die Impedanz der Kapazität groß bzw. klein ist.
Wenn also die Verluste bei den betrachteten Frequenzen, die sich von 50 Hz bis ungefähr 10 kHz erstrecken, für die Kapazitäten vernachlässigbar sein können, ist dies nicht ebenso für die Induktivitäten, deren Innenwiderstand man nicht zu Null werden lassen kann, selbst bei Verwendung von Spulen auf torischen, ferrromagnetischen Kernen. Diese Verluste stellen einen wichtigen Teil der vom Dimmer in Wärme umgesetzten Leistung dar.
Da die Baugröße eines Bauteils mit der von diesem in Wärme umgesetzten Leistüng wachsen muß, damit dessen Temperatur nicht zu groß wird, und da der Preis einer Induktivität eine ansteigende Funktion von dessen Baugröße ist, zumindest bei den Dimmern allgemein verwendeter Gerätschaften, wird die Filterinduktivität zum kostspieligsten, am meisten Platz beanspruchenden und Wärme erzeugenden Bauteil.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Verluste in der Filterinduktivität zu reduzieren, um deren Kosten und Platzbedarf zu verringern, bei gleicher Leistungsentwicklung der Last, oder bei analogen Kosten und Platzbedarf die gesteuerte Durchgangsleistung zu erhöhen.
Dieses Ergebnis wird erfindungsgemäß erreicht durch einen Dimmer für eine Leistungslast, insbesondere Glühlampe, die an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen ist, wobei der Dimmer in eine Versorgungsleitung der Last über Eingangs- und Ausgangsklemmen eingesetzt wird und ein Triac mit zwei Hauptelektroden aufweist, von denen eine erste an die Eingangsklemme angeschlossen ist, mit einem Steuerkreis, der mit einstellbarer Verzögerung ein Zündsignal zum Triac sendet, welches mit der Spannung zwischen den genannten Klemmen synchronisiert ist, mit einer Filterinduktivität mit einem ersten Ende, welches mit der zweiten Hauptelektrode des Triac verbunden ist, und einem zweiten Ende, welches an die Ausgangsklemme angeschlossen ist, und mit einer Filterkapazität, die zwischen Eingangs- und Ausgangsklemme geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Dimmer ein zweites Triac aufweist, welches zwischen der Eingangsklemme und dem zweiten Ende der Induktivität eingebaut ist, wobei der Steuerkreis zum zweiten Triac mittels einer Verzögerunsschaltung ein zweites Steuersignal mit einer festen Verzögerung gegenüber dem ersten Signal sendet.
Die Erfinder haben festgestellt, daß die Verluste in der Filterinduktivität zum Großteil durch den Durchgang des Basisstroms hervorgerufen werden, während diese Induktivität nur in den dem Zünden des Triacs folgenden Augenblicken eine vorteilhafte Rolle spielt, wo die Stärke des Stromwachstums durch die resultierende Spannung zwischen den Enden der Induktivität gedämpft wird. Das in Bezug auf das Basistriac verzögerte Zünden des zweiten Triacs schließt das erste Triac und die in Reihe geschaltete Filterinduktivität kurz.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist die feste Verzögerung des zweiten Zündsignals auf das erste größer als die Zeitkonstante, die durch die Verbindung der Filterinduktivität und der Filterkapazität bestimmt wird.
Dauer und Form der Spannungspitze an den Klemmen der Filterinduktivität sind, wie man weiß, eine Funktion der durch die Induktivität und die Kapazität bestimmten Zeitkonstanten, so daß der Augenblick der Zündung des zweiten Triacs fortdauert, nachdem die Spannungsspitze im wesentlichen resorbiert ist.
Bevorzugt weist der Dimmer darüberhinaus eine Stabilisierungsschaltung für geringe Lasten auf, die aus einem Widerstands-Kapazitäts-Serienglied besteht, welches parallel zur Filterkapazität angeordnet ist.
Bei kleinen Leistungslasten ist das aus der Filterinduktivität und dem Filterkondensator gebildete Filterglied wenig gedämpft; ebenso ist der Strom zu Beginn der Zündung des Triacs im gedämpften pseudoperiodischen Zustand und kann zu einem erneuten Blockieren des Triacs führen. Der Widerstands-Kapazitäts-Kreis bewirkt eine zusätzliche Dämpfung, so daß der Dimmer bei geringeren Lasten korrekt funktionieren kann. Diese Besonderheit ist zwar bekannt, aber sie wirkt mit der wesentlichen Ausgestaltung der Erfindung zusammen, um den Leistungsbereich, in welchem der Dimmer arbeitet, auszuweiten.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Hilfsinduktivität mit gegenüber der Filterinduktivität deutlich geringerem Wert zwischen dieser und der Ausgangsklemme angeordnet. Diese kleine Hilfsinduktivität mit gleichzeitig kleinem Widerstand ist vorgesehen, um in Zusammenwirkung mit der Filterkapazität einen ergänzenden Störschutz für den Dimmer während der Zündung des zweiten Triacs zu gewährleisten, während eine Restspannung an den Klemmen des von dem ersten Triac und der Filterinduktivität gebildeten Paares verbleibt.
Bevorzugt weist der Steuerkreis des Triacs eine Versorgungsschaltung mit einer Speicherkapazität auf, die über eine Diode von der Spannung zwischen Eingangs- und Ausgangsklemme aufladbar ist. Auf diese Weise erhält man eine Vorrichtung, bei welcher die zur Versorgung des Steuerkreises notwendige Energie in Serie mit der Last von der Spannung zwischen Eingangs- und Ausgangsklemme vor Zündung des ersten Triacs abgegriffen wird. Diese bekannte Ausgestaltung, manchmal Dipolanordnung genannt, vereinfacht die Verdrahtung und vermeidet die Notwendigkeit eines Netzanschlusses zur Versorgung des Steuerkreises; sie wird durch die Tatsache ermöglicht, daß die für den Steuerkreis notwendige Leistung gering ist, und daß die zur korrekten Funktion dieses Kreises notwendige Spannung am Eingang der Versorgungsschaltung zwischen Eingangs- und Ausgangsklemme des Dimmers erreicht wird bei Zündverzögerungen des ersten Triacs in Bezug auf die Augenblicke des Nulldurchgangs der Netzspannung, die keine wahrnehmbaren Beschränkungen des Regelbereiches des Dimmers hervorrufen.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beispielsbeschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in welcher zeigen:
Figur 1 ein vereinfachtes Schema eines erfindungsgemäßen Dimmers;
Figur 2 ein detaillierteres Schema eines erfindungsgemäßen Dimmers.
Nach der in Figur 1 dargestellten Ausgestaltung ist ein Dimmer D als Ganzes mit einer Last C wie eine Glühlampe vom Halogentyp zwischen den Polen N und L eines Niederspannungsversorgungsnetzes in Reihe geschaltet. Der Dimmer G weist eine Eingangsklemme 1 auf, die mit dem Pol N verbunden ist, und eine Ausgangsklemme 2, die an die Last C angeschlossen ist, wobei die Eingangsklemme 1 die Referenzleitung für den Dimmer bildet.
Der Dimmer G weist ein erstes Triac 3 auf mit einer mit der Eingangsklemme 1 verbundenen Hauptelektrode und mit einer zweiten Hauptelektrode die mit einem Ende einer Filterinduktivität 4 verbunden ist, deren anderes Ende mit einem Ende einer Hilfsinduktivität 8 verbunden ist, deren anderes Ende mit der Ausgangsklemme 2 verbunden ist.
Zwischen die Eingangsklemme 1 und die miteinander verbundenen Enden der Induktivitäten 4 und 8 ist ein zweites Triac 7 geschaltet. Zwischen die Eingangsklemme 1 und die Ausgangsklemme 2 sind eine Filterkapazität 5 und ein Dämpfungsglied 6 geschaltet, welches aus einem Widerstand 6a auf der Seite der Eingangsklemme 1 und einem Kondensator 6b auf der Seite der Ausgangsklemme 2 besteht.
Eine Versorungsschaltung 10 besitzt einen mit der Ausgangsklemme 2 verbundenen Eingang und bedient einen Steuerkreis, der eine Schaltung 11 zur Erzeugung von Zündsignalen für das erste Triac 3 aufweist, mit einem Steuermodul 11a. Die Erzeugerschaltung 11 umfaßt eine integrierte Schaltung 12 zur Steuerung eines Dimmers nach dem Stand der Technik, die als Antwort auf Steuersignale vom Steuermodul synchron zur Spannung zwischen den Hauptelektroden des Triacs Impulse aussendet mit der doppelten Frequenz dieser Spannung und mit einer durch die Steuersignale bestimmten Verzögerung. Die Erzeugerschaltung 11 umfaßt darüber hinaus einen Steuerer 13, der als Antwort auf die mit eingestellter Verzögerung von der integrierten Schaltung 12 ausgesendeten synchronisierten Impulse Ladungen auf das Gate des Triac 3 überträgt, um dessen leitenden Zustand zu zünden.
Das Triac 3, die Reiheninduktivitäten 4 und 8, die Filterkapazität 5 und das Dämpfungsglied 6 geben mit der Versorgungsschaltung 10 und der dem Steuermodul 11a zugeordneten Schaltung zur Erzeugung von Zündsignalen 11 einen herkömmlichen Dimmer wieder, mit dem einzigen Unterschied, daß die Filterinduktivität hier zweigeteilt ist, wobei die Induktivität 4 ähnliche Eigenschaften aufweist wie die herkömmliche Induktivität.
Das zusätzliche, zwischen Eingangsklemme 1 und einen Punkt zwischen den Induktivitäten 4 und 8 geschaltete Triac 7 wird an seinem Gate mit einem Zündsignal beaufschlagt, welches von einer Schaltung 14 ausgesendet wird, die an ihrem Eingang die von der integrierten Schaltung 12 ausgesendenten Impulse erhält und diese in Zündsignale umsetzt, die um eine feste Dauer bezüglich der Impulse verzögert sind, hier ungefähr 250 us.
In Übereinstimmung mit der herkömmlichen Funktion eines Dimmers hat die geeignete Betätigung des Steuermodus die integrierte Schaltung aktiviert und die einstellbare Verzögerung in Bezug auf den Nulldurchgang der zwischen den Hauptelektroden des Triacs 3 angelegten Spannung gesteuert. Dieses Triac, das sich beim Nulldurchgang der daran angelegten Spannung blockiert hat, bleibt blockiert, während die an ihm angelegte Spannung zu wachsen beginnt, bis das Auftreten eines Zündsignals an seinem Gate es leitend macht. Während dieser gesamten Periode ist die Spannung zwischen den Elektroden des Triacs praktisch die Momentanspannung des Netzes, da die Impedanz der Last C gegenüber der Impedanz des gesperrten Triacs vernachlässigbar ist.
Beim Zünden des Triacs 3 ruft das Anwachsen des Stromes in der Filterinduktivität (hier Induktivität 4 + Induktivität 8) das Auftreten einer Spannung zwischen der zweiten Hauptelektrode des Triacs 3 und der Ausgangsklemme 2 hervor, wobei dieser Strom die Summe des Entladestromes der Filterkapazität 5 und des durch die Last C fließenden Stromes ist. Diese Spannung in Form einer gedämpften Schwingung weist eine ansteigende Flanke auf, gefolgt von einer abfallenden Flanke, die sich der von dem Hauptstrom erzeugten Spannung überlagert, mit einer Pseudoperiode, die mit der Zeitkonstante verknüpft ist und von den Werten der Induktivitäten 4 und 8 und der Kapazität des Kondendsators 5 abhängt und in der Größenordnung von 50 bis 100 us liegt. Nach 200 bis 250 us ist der Ausschlag dieser Momentanspannung praktisch Null geworden.
Während bei einem herkömmlichen Dimmer die Filterinduktivität bis zur Sperrung des Triacs 3 angeschlossen bleibt und der Strom in der Last C am Ende der Netzspannungsperiode Null wird, empfängt gemäß der Erfindung das zweite Triac 7 das zweite Zündsignal etwa um 250 us gegenüber dem ersten verzögert, sprich nach 2 bis 5 Pseudoperioden der Filtereinheit, d. h. nachdem die von den Induktivitäten 4 und 8 erzeugte Momentanspannung praktisch ausgelöscht ist. Aufgrund des an der Hauptinduktivität 4 erzeugten Spannungsabfalls zündet das zweite Triac 7, während das erste Triac 3 sperrt und der Strom in der Induktivität 4 unterbrochen wird.
Das Zünden des zweiten Triacs 7 induziert ein Anwachsen des Stromes in der Induktivität 8 und das Auftreten einer Momentanspannung an dieser der Filterleitung zugeordneten Induktivität, um die Störwirkungen auf das Netz zu reduzieren. Es wird daran erinnert, daß die Hilfsinduktivität 8 deutlich kleiner ist als die Filterinduktivität 4, beispielsweise in einem Verhältnis von 1:15. Im übrigen übersteigt das Maximum der Momentanspannung beim Zünden des zweiten Triacs 7 kaum 4 Volt, während das Maximum der Momentanspannung beim Zünden des ersten Triacs 3 300 Volt erreichen kann (bei einer effektiven Netzspannung von 200 Volt).
Das aus dem Widerstand 6a und dem Kondensator 6b gebildete Dämpfungsglied 6 dient der Bewirkung einer zusätzlichen Dämpfung in dem von den Induktivitäten 4 und 8 und der Kapazität 5 gebildeten Schwingkreis, während die durch die Last C zu großen Widerstandes bewirkte Dämpfung ungenügend ist und nach einer halben Pseudoperiode des wenig gedämpften Kreises der im Triac 3 zwischen seinen Hauptelektroden fließende Strom kleiner wird als der zur Aufrechterhaltung der Entladung notwendige Strom, so daß das Triac 3 sperrt. Diese Sperrung ist ungewiß und ruft ein oft als "Flackern" oder Scintillation bezeichnetes Phänomen hervor in Bezug auf den Betriebszustand einer die Last bildenden Glühlampe.
Figur 2 entspricht Figur 1, wobei die Ausgestaltung der unter Bezugnahme auf Figur 1 funktionell beschriebenen Schaltkreise ausführlich wiedergegeben ist.
Die Versorgung 10 ist zwischen Eingangsklemme 1 und Ausgangsklemme 2 geschaltet. Die Spannung zwischen diesen Klemmen 1 und 2, die der Momentanspannung des Netzes entspricht, solange die Triacs 3 und 7 nicht gezündet sind, ist über eine Kapazität 101 und einen Strombegrenzerwiderstand an eine Diode 100 gelegt, die eine Speicherkapazität 103 auflädt. Eine zur Kapazität 10J parallele Zenerdiode legt den Wert der gleichgerichteten Versorgungsspannung der verschiedenen Kreise fest.
Die einem Steuermodul 11a zugeordnete integrierte Schaltung 120 ist eine herkömmliche Vorrichtung zur Steuerung eines Triacvariators. Sie liefert über ihren Ausgang 120a Impulse der doppelten Netzfrequenz, die mit der am Triac 3 angelegten Spannung synchronsiert sind und über das RC-Glied 121 abgegriffen werden. Durch geeignete flüchtige Kontakte am Druckknopf des Steuermoduls 11a bewirkt man das Auftreten von synchronisierten Impulsen, die Änderung der Verzögerung dieser Impulse beim Nulldurchgang der Spannung am Triac 3 und deren Ausschalten.
Die vom Ausgang 120a der integrierten Schaltung 120 ausgegebenen Impulse werden an eine von einem Transistor gebildete Steuerschaltung 13 gelegt, der in Emitterfolgeranordnung mit dem Gate des Triacs 3 verbunden ist.
Diese Impulse werden gleichzeitig über eine Diode 140 an eine Verzögerungsschaltung 14 gelegt, an einen RC-Integrator 141, dessen Zeitkonstante mit der für die Zündung des zweiten Triacs 7 gewünschten Verzögerung korrespondiert. Für eine Verzögerung von 250 us ist die Zeitkonstante etwa 150 us.
Die aufsummierten Impulse werden an eine aus zwei Transistoren mit verbundenen Emittern gebildete Kippschaltung 142 gelegt, deren Kollektor jeweils mit der Basis des anderen verbunden ist. Diese Kippschaltung sendet ein Rechtecksignal mit einer Dauer von 250 us aus als Antwort auf jeden aufsummierten Impuls.
Dieses Signal wird über eine Trennstufe 143 an ein asymmetrisches Differenzierglied 144 gelegt, welches einen Impuls aussendet als Antwort auf die Rückseite des von der Kippschaltung 142 geformten Rechtecksignals. Dieser Impuls wird an einen Transistor 145 gelegt, der analog zum Steuerer 13 als Steuerer zur Steuerung der Zündung des Triacs 7 angeordnet ist.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern umfaßt alle Ausführungsvarianten im Rahmen der Ansprüche.
Insbesondere die Strukturen der Verzögerungsschaltung 14 und die Steuerkreise veränderbarer Verzögerung 11 können beliebig sein, solange sie analoge Funktion gewährleisten. Wenn auch die Versorgung 10 den Vorteil hat, keine spezielle Verbindung mit dem Netz zu erfordern, ergibt sich von selbst, daß eine an das Netz angeschlossenen Versorgung am Wesen der Erfindung nichts ändern würde. Schließlich kann auf die Induktivität 8 verzichtet werden, wenn die Toleranz des an das Netz übertragenen Störniveaus nicht eingeschränkt ist.
Im übrigen können die Induktivitäten 4 und 8 auf den selben Kern gewickelt werden und der Anschluß des Triacs 7 an einem geeigneten Punkt der Wicklung vorgenommen werden.

Claims

1. Dimmer für eine Leistungslast (C), insbesondere Glühlampe, welche an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen ist, wobei der Dimmer (6) über eine Eingangsklemme (1) und eine Ausgangsklemme (2) in eine Versorgungsleitung der Last einsetzbar ist und ein Triac (3) mit zwei Hauptelektroden aufweist, von denen eine erste an die Eingangsklemme (1) angeschlossen ist, mit einem Steuerkreis (11), der an das Triac ein Zündsignal mit einstellbarer Verzögerung sendet, welches mit der Spannung zwischen den genannten Klemmen (1, 2) synchronisiert ist, mit einer Filterinduktivität (4), die mit einem ersten Ende an die zweite Hauptelektrode des Triacs (3) angeschlossen ist und mit einem zweiten Ende mit der Ausgangsklemme (2) verbunden ist, und mit einer Filterkapazität (5), die zwischen die Eingangs- und die Ausgangsklemme geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Dimmer ein zweites Triac (7) aufweist, welches zwischen die Eingangsklemme (1) und das zweite Ende der Induktivität (4) geschaltet ist, wobei der Steuerkreis (11) mittels einer Verzögerungsschaltung (14) ein zweites Steuersignal an das zweite Triac (7) sendet mit einer festen Verzögerung zum ersten Triac (3).

2. Dimmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterinduktivität (4, 8) und die Filterkapazität (5) gemeinsam eine Zweitkonstante bestimmen und daß die feste Verzögerung größer ist als diese.

3. Dimmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dimmer desweiteren eine Stabilisierungsschaltung (6) für kleine Lasten aufweist, die aus einem Widerstands(6a)-Kapazitäts(6b)-Reihenglied besteht, welches parallel zur Filterkapazität (5) geschaltet ist.

4. Dimmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfsinduktivität (8) mit einem deutlich geringeren Wert als derjenige der Filterinduktivität (4) zwischen dieser und der Ausgangsklemme (2) angeordnet ist.

5. Dimmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis (11) der Triacs (3, 7) eine Versorgungsschaltung (10) aufweist mit einer Speicherkapazität (103), die über eine Diode (100) von der Spannung zwischen Eingangsklemme (1) und Ausgangsklemme (2) aufladbar ist.