DE69206750T2 - Elektrisches Filter mit Hochfrequenzrauschdämpfung für Stromversorgungsteurgeräte - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf elektrische Filter, insbesondere auf ein Filter zur Dämpfung von Hochfrequenzrauschen, das von einem Bauteil verursacht wird, welches die Zuführung elektrischer Leistung von einer Wechselstromquelle zu einer Last über ein statisches Schaltelement mit gesteuertem Stromdurchlaß steuert.
• Ein Filter, das alle Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs aufweist, ist aus der FR-A-2096562 bekannt.
• Bekanntermaßen werden Steuerungsbauteile vom Typ eines steuerbaren, statischen Schaltelementes vielfach in elektrischen Anwendungen zum kontinuierlichen Verändern der Helligkeit von Standard- oder Halogenglühlampen, zur Steuerung elektrischer Ventilatoren oder dergleichen eingesetzt. Sie verwenden üblicherweise Halbleiterbauelemente, bekannt als Triacs und Thyristoren, die, wenn sie zwischen die Stromversorgung und die elektrische Last eingeschleift sind, als Schaltelemente fungieren, deren Zustand über eine speziell bereitgestellte Steuerschaltung gesteuert werden kann. Letztere arbeitet so, daß sie den Versorgungsschaltkreis für die elektrische Last bei jeder Halbwelle der Wechselstromversorgung gemäß einem vorgegebenen Einschaltwinkel schließt. Auf diese Weise kann die auf die Last übertragene Leistung kontinuierlich innerhalb eines breiten Bereichs - im Fall von Lampen zwischen 0% und 100% - moduliert werden
• Des weiteren ist es bekannt, daß die Steuerungsbauteile HF- Pulse aufgrund der hohen Stromspitzenwerte erzeugen, die generiert werden, wenn ein Triac oder ein Thyristor ein- bzw. ausgeschaltet wird.
• Um solche Pulse zu dämpfen, die durch Abzug über die Starkstromleitung mit dem Empfang von drahtlosen und TV-Signalen oder dem Betrieb anderer elektronischer Geräte wechselwirken könnten, wird gewöhnlich ein Filter, das hauptsächlich eine in Reihe geschaltete Induktionsspule und einen in Nebenschluß geschalteten Kondensator aufweist, zwischen das Bauteil und die Last geschaltet. Die statische Rauschunterdrückung sollte im Einklang mit wichtigen Standards und Empfehlungen stehen, die von Organen herausgegeben werden, welche dazu bestimmt sind, die zivilen Nutzungen elektrischer und elektronischer Geräte zu regeln.
• Bei der Dimensionierung des Filters sollte außerdem sorgfältig auf ein mogliches Übersteuern des statischen Schaltelementes beim Einschalten der Last geachtet werden. Dementsprechend sollte bei induktiven Lasten, wie Transformatoren oder Motoren, die Filterspule eine geringere Induktivität aufweisen, als sie bei Widerstandslasten, wie Glühlampen, benötigt wird, da sich die Effekte das Lastinduktivität zu den Effekten der Filterinduktivität hinzuaddieren. Selbstverständlich gilt dies sowohl in bezug auf die Dämpfung von HF-Pulsen als auch in bezug auf die Erzeugung von Überströmen beim Einschalten der Last. Mit anderen Worten würde beim Einschalten der Last, wenn ein Filter mit hoher Induktivität, wie es für eine Widerstandslast geeignet ist, in Verbindung mit einer induktiven Last verwendet würde, die Gefahr einer Schädigung des statischen Schaltelementes aufgrund der hohen Stromtransienten von der Filterinduktivität, die sich zu derjenigen der Last addiert, bestehen. Um dies zu vermeiden, hat der Stand der Technik zwei Typen von Steuerungsbauteilen bereitgestellt: Den einen, der mit einem Filter für Widerstandslasten ausgerüstet ist, und den anderen, der mit einem Filter für induktive Lasten ausgerüstet ist.
• Es ist erkennbar, daß diese Situation einige Schwierigkeiten hervorruft, sowohl für den Hersteller der Bauteile, indem dadurch zwei getrennte Produktlinien verfügbar gemacht werden müssen, als auch für den Nutzer, der, um das geeignete Steuerungsbauteil zu erhalten, im vorhinein wissen muß, ob die zu steuernde Last vom Widerstandstyp oder vom induktiven Typ ist.
• Eine weitere bekannte Methode hat die Verwendung von Bipolaroder Feldeffektleistungstransistoren als statische Schaltelemente vorgeschlagen, die von Schaltkreisen gesteuert werden, welche in der Lage sind, den Transistor graduell an- und auszuschalten, um das Auftreten von HF-Rauschen zu verhindern, wodurch die Verwendung eines Filters überflüssig gemacht wird. Während diese Methode vom technologischen Standpunkt her eine geeignete ist, wurde ihre Akzeptanz vor allem durch die hohen Kosten von Leistungstransistoren im Vergleich zu weniger kostenträchtigen Triacs und Thyristoren beschränkt.
• Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, die oben erwähnten Nachteile durch Bereitstellen eines Filters, das gleich gut für Widerstandslasten und induktive Lasten verwendet werden kann und einfach und ökonomisch herstellbar ist, für ein Bauelement zu beheben, das die einer Last zuzuführende Leistung über ein herkömmliches statisches Schaltelement steuert. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Filter gelöst, wie es in dem dieser Beschreibung angefügten Anspruch festgelegt und gekennzeichnet ist.
• Die Erfindung wird deutlicher aus der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung eines beispielhaften und in keiner Weise beschränkenden Ausführungsbeispiels derselben verständlich, das in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung zu sehen ist, wobei die einzige Figur ein Schaltbild eines Steuerungsbauteiles zeigt, das ein erfindungsgemäßes Filter beinhaltet.
• Bezugnehmend auf die Zeichnung ist mit Z eine Widerstandslast oder induktive Last bezeichnet, die von einer Wechselstromquelle (V) zu versorgen ist, während mit 1 eine Leistungssteuerungsstufe, die das Versorgungssteuerungsbauteil darstellt, und mit 3 eine Filterstufe bezeichnet sind, die zwischen das Steuerungsbauteil (1) und die Reihenschaltung aus der Last (Z) und der Quelle (V) geschaltet ist. Das Steuerungsbauteil, das von einem üblichen Typ ist, beinhaltet ein statisches Schaltelement mit steuerbarem Zweiweg-Stromdurchlaß (TR1) (Triac), das zwischen die Eingangsanschlüsse (5) und (7) der Stufe (1) eingeschleift ist, sowie eine Zweiweg-Diode D1 (Diac) , die zwischen die Steuerungsanschlüsse des Triacs (TR1) und den Verbindungspunkt eines Kondensators (C4) zu einem Potentiometer (P1) eingeschleift ist. Die beiden letztgenannten Elemente sind zwischen den Eingangsanschlüssen (5 und 7) der Stufe (1) in Reihe miteinander und mit einem Widerstand (R4) geschaltet.
• Das Filter (3) besteht aus einer Induktionsspule (L1), die vorzugsweise einen toroidalen Kern besitzt und seriell zwischen den Anschluß (5) der Stufe (1) und einen Anschluß (9) des Filters eingeschleift ist, der mit der Last (Z) verbunden ist, sowie aus einem Querzweig (11), der zwischen den Anschluß (9) und einen Anschluß (10) des Filters eingeschleift ist, der an den Anschluß (7) der Abstimmstufe angeschlossen ist. Der Zweig (11) beinhaltet zwei Kondensatoren (C1 und C2) in Reihe sowie einen Widerstand (R1) parallel zum Kondensator (C2). Gemäß der Erfindung ist zwischen dem Anschluß der Spule (L1), der mit dem Anschluß (5) des Steuerungsbauteils (1) verbunden ist, und dem Anschluß (10) ein Querzweig (13) vorgesehen, der einen Kondensator (C3) in Reihe mit einem Widerstand (R2) aufweist.
• Im Betrieb wird das Triac während einer Versorgungshalbwelle, wenn die Spannung über dem Kondensator (C4), der über den Widerstand (R4) und das Potentiometer aufgeladen wird, einen Wert erreicht, bei dem das Diac (Dl) leitend wird, leitend und läßt einen Strom zur Last durch. Durch Anpassen der Einstellung des Potentiometers (P1) können die Aufladungsrate des Kondensators (C4) und mit dieser die Dauer der Leitung des Triacs (TR1) angepaßt werden. Die von dem Triac (1) während seines Schaltzyklus erzeugten HF-pulse werden von dem Filter (3) durch die kombinierten Wirkungen der (hohen) Serienimpedanz der Spule (L1) und der (niedrigen) Nebenschlußimpedanz des kapazitiven Zweiges (11) gedämpft. Es ist anzumerken, daß der Widerstand (R1), der parallel zum Kondensator (C2) liegt, dahingehend wirkt, daß er die Gesamtkapazität über dem Zweig (11) in Anbetracht der Transienten, die auf der Starkstromleitung vorhanden sind, verringert. Die Induktivität der Spule (Ll) und die Kapazitäten der Kondensatoren (C1 und C2) werden so gewählt, daß, wenn die Last (Z) als eine reine Widerstandslast angesehen wird, HF-Rauschen, das zwischen den Anschlüssen (9 und 10) des Filters detektierbar ist, auf einem niedrigeren Niveau liegt als das höchste erlaubte Niveau und daß die Stromtransienten von der Induktivität der Spule (L1) bei Anschalten der Last nicht die Grenzen überschreiten, die durch die Spezifikationen des Triacs (TR1) gesetzt sind.
• Unter diesen gegebenen Situation könnte die Kombination des Steuerungsbauteils (1) und des Filters (3), wenn der Zweig (13) von dem Filter dieser Erfindung weggelassen würde, lediglich in Verbindung mit einer hauptsächlich resistiven Last verwendet werden. Tatsächlich würde, wenn die Last (Z) eine hohe induktive Komponente hätte, sich diese zur Induktivität der Spule (L1) addieren, wodurch die Stromtransienten beim Anschalten der Last die zulässigen Grenzen für das Triac (TR1) erreichen oder überschreiten könnten.
• Im Gegensatz hierzu wird dies durch das Filter dieser Erfindung effektiv mittels des Zweigs (13) verhindert, der selbstverständlich unter der Bedingung vorgesehen ist, daß die Komponenten C3 und R2 geeignet dimensioniert wurden. Speziell sollten die Kapazität von C3 und der Widerstand von R2 so gewählt sein, daß die Impedanz des zweigs (13) für die Wechselstromversorgung sehr hoch, gleichzeitig jedoch für die Stromtransienten aufgrund irgendwelcher Induktivitäten, die beim Anschalten der Last in Reihe mit der Schaltung auftreten können, sehr gering ist. Es ist außerdem notwendig, daß die Komponenten des Zweigs (13) so dimensioniert sind, daß Resonanzbedingungen des Filters vermieden werden, die dessen Fähigkeit zur Dämpfung von HF-Rauschen behindern könnten. Basierend auf diesen Dimensionierungsbedingungen, die Teil der kennzeichnenden Aspekte der Erfindung sind, können die Werte der erfindungsgemäßen Filterkomponenten unter Verwendung herkömmlicher Netzwerkentwurfstechniken berechnet werden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform, bei der die Spule (L1) eine Induktivität von 2,2mH und der Zweig (11) eine Kapazität von etwa 300nf aufweisen, besitzt der Kondensator C3 eine Kapazität von 220nF und der Widerstand R2 hat einen Wert von 470 Ohm.
• Wie ersichtlich ist, erfüllt das Filter dieser Erfindung vollständig seine Aufgabe. Es kann tatsächlich genauso gut in Verbindung mit resistiven wie mit induktiven Lasten verwendet werden, und es ist relativ einfach und ökonomisch, da es lediglich zwei zusätzliche, preisgünstige Komponenten erfordert.

Claims (1)

1. Filter zur Dämpfung von Hochfrequenzrauschen, das von einem Bauteil (1) verursacht wird, welches die Zuführung elektrischer Leistung von einer Wechselspannungsquelle (V) zu einer Last (Z) über ein mit der Last in Reihe geschaltetes, statisches Schaltelement (TR1) mit gesteuertem Stromdurchlaß steuert wobei das Filter (3) eine Drosselspule (L1), die mit einem ersten Anschluß (9) an die Last (Z) und mit einem zweiten Anschluß an einen (5) der Anschlüsse des statischen Schaltelements (TR1) angeschlossen ist, und einen zwischen den ersten Anschluß (9) der Drosselspule (L1) und den anderen Anschluß (7) des statischen Schaltelements (TR1) eingeschleiften Kondensator (C1, C2) sowie ferner einen Zweig (13) enthält, der parallel zu dem statischen Schaltelement (TR1) geschaltet ist und in Reihe zueinander geschaltet eine Kapazität (C3) und einen Widerstand (R2) besitzt, wobei das Filter dadurch gekennzeichnet ist, daß es derart ausgelegt ist, daß der Zweig (13) eine sehr hohe Impedanz für die Wechselstromversorgung und eine sehr geringe Impedanz für die beim Anschalten der Last (Z) erzeugten transienten Stromspitzen besitzt und daß keine Hochfrequenzresonanzbedingungen erzeugt werden.