DE69816023T2

DE69816023T2 - Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE69816023T2
Application number: DE69816023T
Authority: DE
Inventors: Johannes Marcel BUCKS; Bernar Engbert NIJHOF
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV; Philips AB
Current assignee: Koninklijke Philips NV; Philips AB
Priority date: 1997-08-01
Filing date: 1998-07-27
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2018-07-28
Also published as: JP4240546B2; EP0929994B1; WO1999007188A3; DE69816023D1; CN1241350A; WO1999007188A2; EP0929994A2; CA2267406A1; CA2267406C; CN1143602C; US6051935A; JP2001501363A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit:

– Eingangsklemmen zum Entnehmen eines Speisestroms aus einer Speisequelle,
– Mitteln I zum Generieren eines Steuersignals S,
– Mitteln II, mit einem Wandler versehen, der mit zumindest einem Schaltelement ausgerüstet ist und mit Steuerungsmitteln, die das genannte Schaltelement mit hoher Frequenz in einer Weise triggern, die vom Wert des Steuersignals S abhängt,
– Mitteln III zum Erzeugen einer Spannung Sc, die ein Maß für einen Momentanwert einer von der Speisequelle gelieferten Speisespannung ist,
– mit den Mitteln II gekoppelten Ausgangsklemmen zum Anschluss an eine Lichtquelle.

Eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art ist aus EP 507 393 bekannt. Wenn die bekannte Schaltungsanordnung an eine Speisequelle angeschlossen ist, die eine sinusförmige Speisespannung liefert, zieht sie einen Speisestrom von ungefähr einer entsprechenden Form. Die Mittel III der bekannten Schaltungsanordnung werden von einer Gleichrichterschaltung gebildet. Ein Hochsetzsteller wird mittels der von der Gleichrichterschaltung erzeugten Spannung betrieben. Das Steuersignal wird mit Detektionsmitteln generiert, die einen Ladestrom kapazitiver Mittel messen, die von dem Hochsetzsteller gespeist werden. Eine derartige Schaltungsanordnung kann zum Versorgen einer Halbleiterlichtquelle dienen.
Die verhältnismäßig hohe Lichtausbeute in der Größenordnung von 15 lm/W und die lange Lebensdauer von Halbleiterlichtquellen (einige zehntausend Stunden) machen diese für eine Verwendung in Verkehrsampeln interessant. Zur Zeit werden Verkehrsampeln üblicherweise mit Glühlampen ausgeführt. Zum Schalten von Verkehrsampeln werden meistens mit einem TRIAC-Schaltelement und einer Steuerschaltung versehene Festkörperrelais (SSRs: Solid State relays) verwendet. Bei den verhältnismäßig hohen Belastungen der verwendeten Glühlampen, in der Größenordnung von 150 W, arbeiten die SSRs zuverlässig.
Bei Verwendung einer Halbleiterlichtquelle in einer Verkehrsampel kann jedoch eine viel kleinere Belastung in der Größenordnung von 15 W oder weniger genügen. Es kann vorkommen, dass der TRIAC nicht in einen leitenden Zustand gelangt, wenn eine solche Halbleiterlichtquelle zusammen mit einer bekannten Schaltungsanordnung und einem vorhandenen SSR betrieben wird. In diesem Fall fließt ein dem SSR entnommener Speisestrom hauptsächlich durch die Steuerschaltung und kann diese beschädigen.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art zu verschaffen, die mit vorhandenen SSRs ohne Gefahr einer Beschädigung der Steuerschaltung gekoppelt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Spannung Sc als Bezugssignal wirkt, das bewirkt, dass die Mittel I ein Steuersignal S generieren, das abwechselnd in einem ersten Bereich und in einem zweiten Bereich liegt, wobei die Mittel II das Ziehen eines verhältnismäßig starken Speisestroms bei einem Wert des Steuersignals S bewirken, der in dem ersten Bereich liegt und das Ziehen eines verhältnismäßig schwachen Speisestroms bei einem Wert des Steuersignals S, der in dem zweiten Bereich liegt.
Da das Steuersignal abwechselnd in dem ersten und in dem zweiten Bereich liegt, entzieht die Schaltungsanordnung der Speisequelle einerseits einen verhältnismäßig starken Speisestrom, sodass die SSRs zuverlässig schalten und Beschädigung der Steuerschaltung vermieden wird. Andererseits bleibt der Effektivwert des der Speisequelle entzogenen Speisestroms und somit die der Speisequelle entnommene Leistung niedrig. Eine Regelung des der Speisequelle entzogenen Speisestroms kann in einfacher Weise dadurch realisiert werden, dass das Tastverhältnis und/oder die Frequenz der Steuerungsmittel des Wandlers durch das Steuersignal S beeinflusst werden. Die Speisequelle wirkt hier als Wechselspannungsgenerator, der bewirkt, dass das Steuersignal S mittels des Bezugssignals Sc abwechselnd in dem ersten und in dem zweiten Bereich liegt. Gesonderte Mittel, um dies zu erreichen, sind daher überflüssig.
Der Wandler kann beispielsweise als Halbbrückenresonanzschaltung, als Sperrwandler oder als Kombination aus einem Boost-Umrichter mit einem anderen Wandlertyp, beispielsweise einer Kombination aus einem Boost-Umrichter mit einem Tiefsetzsteller ausgeführt sein. Ein multiresonanter Durchfluss/Sperrwandler ist günstig, um einen höheren Leistungsfaktor zu erreichen. Das abwechselnde Ziehen eines starken Speisestroms und eines schwachen Speisestroms ist nicht unter allen Umständen notwendig. In der Praxis kann es genügen, wenn dies nur bei niedrigen Temperaturen erfolgt.
Zum Erreichen eines hohen Leistungsfaktors ist es günstig, wenn die Mittel I aus dem Bezugssignal Sc ein Steuersignal S generieren, das für einen verhältnismäßig hohen absoluten Momentanwert der Speisespannung in dem ersten Bereich liegt und für einen verhältnismäßig niedrigen absoluten Momentanwert der Speisespannung S in dem zweiten Bereich liegt.
Die Umstände, unter denen die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung betrieben wird, wie z. B. die Speisespannung und die Umgebungstemperatur, können in der Praxis stark variieren. Eine attraktive Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel I, II, und III Teil eines Regelsystems zum Regeln eines von der Lichtquelle gelieferten Lichtstroms sind, welches Regelsystem zudem Mittel IV umfasst zum Generieren eines Fehlersignals Sf das ein Maß für die Differenz zwischen einer von der Lichtquelle aufgenommenen Leistung und einem Sollwert ist, während das von den Mitteln I generierte Steuersignal S auch teilweise vom Fehlersignal Sf abhängig ist. Die zum Erreichen eines Lichtstromsollwertes aufzunehmende Leistung kann in einfacher Weise durch Anpassung der relativen Dauer der Zeitspanne geregelt werden, in der ein verhältnismäßig starker Speisestrom gezogen wird. Unter der relativen Dauer soll die Zeitdauer verstanden werden, in der in jeder Periode der Speisespannung ein verhältnismäßig starker Speisestrom gezogen wird, geteilt durch die Dauer der Periode. Da die Mittel I, II, und III bereits vorhanden sind, um abwechselnd einen verhältnismäßig starken und einen verhältnismäßig schwachen Speisestrom zu ziehen, wird bei dieser Ausführungsform in einfacher Weise erreicht, dass der von der Lichtquelle erzeugte Lichtstrom trotz stark unterschiedlicher Bedingungen ungefähr dem Sollwert entspricht.
Es ist günstig, wenn die Mittel IV mit Mitteln V versehen sind zum Generieren eines Signals Si aus einem von der Lichtquelle aufgenommenen Strom, Mitteln VI zum Generieren eines Signals St aus einer Umgebungstemperatur in einer Umgebung der Lichtquelle und Mitteln VII zum Berechnen des Fehlersignals Sf aus dem Signal Si und dem Signal St. Diese Ausführungsform ist sehr gut für eine Halbleiterlichtquelle geeignet. Die Spannung an einer Halbleiterlichtquelle hängt üblicherweise nur in geringem Maße von dem sie durchlaufenden Strom ab. Das Signal Si ist daher auch ein Maß für die die von der Halbleiterlichtquelle aufgenommene Leistung. Die Lichtausbeute einer Halbleiterlichtquelle hängt üblicherweise von der Umgebungstemperatur ab. Die Mittel VI machen es so in einfacher Weise möglich, aus der Umgebungstemperatur eine Schätzung des Sollwertes der von der Halbleiterlichtquelle aufzunehmenden Leistung zu erhalten.
Es ist günstig, wenn die Mittel I mit Mitteln I' versehen sind, um bei einer Abnahme des Fehlersignals Sf eine Änderung des Steuersignals zu bewirken, wobei diese Änderung bewirkt, dass die Mittel II eine Zunahme des verhältnismäßig starken Speisestroms erzeugen. Bei hohen Temperaturen und einer niedrigen Speisespannung kann es vorkommen, dass das Steuersignal S bereits während der gesamten Periode der Speisespannung in dem zweiten Bereich liegt. Es ist dann nicht möglich, die von der Schaltungsanordnung aufgenommene Leistung durch eine Zunahme der relativen Dauer der Zeit, in der ein verhältnismäßig starker Speisestrom gezogen wird, ansteigen zu lassen. Die Mittel I' sorgen dafür, dass unter diesen Umständen die von der Schaltungsanordnung aufgenommene Leistung weiter ansteigen kann, indem der Wert des verhältnismäßig starken Speisestroms erhöht wird. Dies ermöglicht es, den von der Halbleiterlichtquelle gelieferten Lichtstrom über einen größeren Bereich an Umgebungstemperaturen konstant zu halten, als es ohne die Mittel I' der Fall wäre.
Diese und andere Aspekte der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und, mehr im Detail
2 die Mittel I und III,
3 die Mittel II,
4 die Mittel IV, mit den Mitteln V, VI, und VII,
5 schematisch den Verlauf der Speisespannung Vv, des Speisestroms Iv, und einiger Signale,
6A, 6B, und 6C den gemessenen Verlauf der Speisespannung Vv und des Speisestroms Iv unter verschiedenen Bedingungen.
1 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung, die mit Eingangsklemmen T1, T2 zum Ziehen eines Speisestroms aus einer Speisequelle (Vin) versehen ist. Die Eingangsklemmen T1, T2 sind über ein Eingangsnetzwerk FI, das unter anderem einen Tiefpass umfasst, mit Gleichrichtermitteln RM verbunden. Die Gleichrichtermittel RM sind beispielsweise als Diodenbrücke ausgeführt. Mittel II, mit denen Ausgangsklemmen T3, T4 zum Anschließen einer Lichtquelle LI gekoppelt sind, werden durch die Gleichrichtermittel geliefert. Die Mittel II sind mit einem Wandler versehen, der mit zumindest einem Schaltelement 13 und mit Steuerungsmitteln 17 ausgerüstet ist. Die Mittel I generieren ein Steuersignal S. Die Steuerungsmittel 17 schalten das Schaltelement mit hoher Frequenz in einer Weise, die vom Wert des Steuersignals S abhängt. Die Schaltungsanordnung ist weiter mit Mitteln III versehen, zum Generieren einer Spannung Sc, die ein Maß für einen Momentanwert einer von der Speisequelle gelieferten Speisespannung ist. Die Gleichrichtermittel RM sind Teil der Mittel III.
Die Spannung Sc dient als Bezugssignal, das die Mittel I ein Steuersignal S generieren lässt, das abwechselnd in einem ersten und in einem zweiten Bereich liegt. Die Mittel II sorgen dafür, dass ein verhältnismäßig starker Speisestrom gezogen wird, wenn das Steuersignal S einen Wert hat, der in dem ersten Bereich liegt, und dass ein verhältnismäßig schwacher Speisestrom gezogen wird, wenn der Wert des Steuersignals S in dem zweiten Bereich liegt.
Das Steuersignal S liegt in einem ersten Bereich, wenn die Speisespannung einen verhältnismäßig hohen absoluten Momentanwert hat. Das Steuersignal liegt in einem zweiten Bereich, wenn die Speisespannung einen verhältnismäßig niedrigen absoluten Momentanwert hat.
An den Ausgangsklemmen T3, T4, die mit den Mitteln II gekoppelt sind, ist hier eine Halbleiterlichtquelle LI angeschlossen. Eine der Ausgangsklemmen T3 ist direkt mit den Mitteln II verbunden. Die andere Ausgangsklemme T4 ist mit den Mitteln II über die Mittel V verbunden. Die Mittel V generieren ein Signal Si, das ein Maß für einen von der Halbleiterlichtquelle aufgenommenen Strom ist. Die Mittel V sind Teil der Mittel IV zum Generieren eines Fehlersignals Sf, das ein Maß für die Differenz zwischen einem von der Halbleiterlichtquelle gelieferten Lichtstrom und einem gewünschten Lichtstrom ist. Das von den Mitteln I generierte Steuersignal hängt teilweise von dem Fehlersignal Sf ab. Die Mittel IV sind weiter mit Mitteln VI und Mitteln VII versehen. Die Mittel VI generieren ein Signal St, das ein Maß für eine Umgebungstemperatur der Halbleiterlichtquelle LI ist. Die Mittel VII berechnen das Fehlersignal Sf aus dem Signal Si und dem Signal St.
Der Wert des Steuersignals S hängt auch von dem Fehlersignal Sf ab. Die Mittel I sind mit Mitteln I' versehen, um eine solche Veränderung des Steuersignals für den Fall eines abnehmenden Fehlersignals zu bewirken, dass dieses Steuersignal bewirkt, dass die Mittel II den Wert des verhältnismäßig starken Speisestroms erhöhen.
2 ist ein detaillierteres Schaltbild einer Ausführungsform der Mittel III zum Generieren eines Bezugssignals Sc, das ein Maß für den absoluten Momentanwert der niederfrequenten Speisespannung ist, und der Mittel I zum Generieren des Steuersignals S. Die Speisespannung wird mittels der Diodenbrücke 1a–ld gleichgerichtet. Die Diodenbrücke bildet die Gleichrichtermittel RM. Der Ausgang der Diodenbrücke wird durch einen Spannungsteiler überbrückt, der die ohmschen Widerstände 2a, 2b, 2c umfasst. Ein Teil des von den ohmschen Widerständen 2b und 2c gebildeten Spannungsteilers wird durch einen kapazitiven Widerstand 3 überbrückt. Ein gemeinsamer Verbindungspunkt der letzteren zwei ohmschen Widerstände liefert das Bezugssignal Sc, das ungefähr proportional zum absoluten Momentanwert der Speisespannung ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Mittel III erfolgt das Bilden des Bezugssignals Sc mit Hilfe eines Zweiges an einem Eingang der Diodenbrücke, der von einem Diodenwiderstandsnetwerk gebildet wird, das zwischen Speisespannungsleitern des Diodenbrückeneingangs geschaltet wird. Diese Ausführungsform hat als Vorteil, dass beim Bilden des Bezugssignals Sc der Amplitude der Speisespannung eng gefolgt wird.
Die Mittel I zum Generieren eines Steuersignals S aus dem Bezugssignal Sc umfassen einen Halbleiterschalter 4, dessen Steuerelektrode 4a das Bezugssignal Sc aus den Mitteln III empfängt. Eine Elektrode 4e des Halbleiterschalters, die hier gleichzeitig als Steuerelektrode und als Hauptelektrode dient, empfängt das Fehlersignal Sf. Eine Hauptelektrode 4b des Halbleiterschalters 4 ist über eine Reihenschaltung eines unidirektionalen Elementes 5 und ohmscher Widerstände 6 und 7 mit einer Klemme Vcc einer stabilisierten Speisequelle verbunden. Ein gemeinsamer Verbindungspunkt der genannten ohmschen Widerstände 6 und 7 ist mit einer Steuerelektrode 8a eines zweiten Halbleiterschalters 8 verbunden. Der Halbleiterschalter 8 überbrückt einen ohmschen Widerstand 9a eines Spannungsteilers, der außerdem mit ohmschen Widerständen 9b und 9c versehen ist. Der Spannungsteiler 9a, 9b, 9c verbindet die Klemme Vcc mit Erde. Der ohmsche Widerstand 9c wird von einem kapazitiven Widerstand 10 überbrückt. Ein gemeinsamer Verbindungspunkt der ohmschen Widerstände 9b und 9c wird mit einem nicht invertierenden Eingang 11a eines Differenzverstärkers 11 verbunden. Ein invertierender Eingang 11b empfängt das Fehlersignal Sf über einen ohmschen Widerstand 12a. Ein Ausgang LC liefert das Steuersignal S an die Mittel II. Der invertierende Eingang 11b ist über einen ohmschen Widerstand 12b mit dem Ausgang 11c verbunden. Der Differenzverstärker 11 und die ohmschen Widerstände 12a und 12b bilden die Mittel I'.
Die Bildung des Steuersignals S in den Mitteln I aus dem Vergleich des Bezugssignals Sc mit dem Fehlersignal Sf erfolgt bei der beschriebenen Ausführungsform mit Hilfe einer Transistorschaltung (Transistoren 4 und 8). Bei einer weiteren Ausführungsform erfolgt dieser Vergleich durch Verwendung eines IC, beispielsweise eines Operationsverstärkers.
Die Mittel II, in 3 detaillierter dargestellt, sind hier als multiresonanter Durchlass/Sperrwandler ausgeführt. Das Schaltelement 13 bildet zusammen mit dem induktiven Widerstand 14 und der Primärwicklung 15a eines Transformators 15 eine Reihenschaltung, die Eingänge 16a, 16b überbrückt. Eine Steuerelektrode 13a des Schaltelementes 13 ist mit einem Ausgang 17b von Steuerungsmitteln 17 verbunden. Haupteelektroden 13b und 13c des Schaltelementes 13 werden durch einen kapazitiven Widerstand 18 überbrückt. Eine Sekundärwicklung 15b des Transformators 15 wird durch einen kapazitiven Widerstand 19 überbrückt und ist mit Eingängen 20p, 20q der Diodenbrücke 20a–20d verbunden. Ausgänge 20r, 20s der Diodenbrücke werden durch einen kapazitiven Widerstand 21 überbrückt. Die Steuerungsmittel 17 werden durch einen Timer gebildet, der das Schaltelement 13 mit hoher Frequenz abwechselnd während einer Ausschaltzeit ausgeschaltet und während einer variablen Einschaltzeit eingeschaltet hält. Die Einschaltzeit ist umso länger, je höher der Wert des Steuersignals S ist.
Die Mittel IV zum Generieren des Fehlersignals Sf werden in 4 detaillierter dargestellt. Die in 4 gezeigten Mittel IV sind mit Mitteln V, VI, und VII versehen. Eingänge 22a, 22b der Mittel V werden durch einen ohmschen Widerstand 23 überbrückt. Der Eingang 22a ist über einen ohmschen Widerstand 24 mit einem nicht invertierenden Eingang 25a eines Differenzverstärkers 25 verbunden. Der Eingang 22b ist mit dem nicht invertierenden Eingang 25a über einen kapazitiven Widerstand 26 verbunden. Der Eingang 22b ist weiterhin über einen ohmschen Widerstand 27a mit einem invertierenden Eingang 25b des Differenzverstärkers 25 verbunden. Der Ausgang 25c und der Eingang 25b des Differenzverstärkers 25 sind über einen ohmschen Widerstand 27b miteinander verbunden.
Die Mittel VI zum Generieren eines Signals St, das ein Maß für eine Umgebungstemperatur der Lichtquelle LI ist, sind mit einer Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes 27c und eines Durchbruchelementes 28 versehen. Diese Reihenschaltung bildet eine Verbindung zwischen der Klemme Vcc und Erde. Das Durchbruchelement 28 wird durch eine Reihenschaltung der ohmschen Widerstände 29 und 30 überbrückt. Der ohmische Widerstand 29 wird durch einen ohmschen Widerstand 31 überbrückt, der einen negativen Temperaturkoeffizienten hat und der im Weiteren als der temperaturabhängige ohmische Widerstand bezeichnet werden soll. Der ohmsche Widerstand 30 wird durch einen kapazitiven Widerstand 32 überbrückt. Ein gemeinsamer Verbindungspunkt 33 der ohmschen Widerstände 29 und 30 bildet einen Ausgang, der das Signal St abgibt.
Der Ausgang 33 der Mittel VI ist mit einem nicht invertierenden Eingang 34a des Differenzverstärkers 34 verbunden. Ein invertierender Eingang 34b hiervon ist über einen ohmschen Widerstand 35 mit dem Ausgang 25c der Mittel V verbunden. Der Ausgang 34c und der invertierende Eingang 34b des Differenzverstärkers sind über einen ohmschen Widerstand 36 miteinander verbunden. Der Ausgang 33 der Mittel VI ist auch mit einem nicht invertierenden Eingang 37a eines Differenzverstärkers 37 verbunden. Der invertierende Eingang 37b dieses Differenzverstärkers ist mit dem Ausgang 34c des Differenzverstärkers 34 über einen ohmschen Widerstand 38 verbunden. Eine Parallelschaltung aus einem kapazitiven Widerstand 39 und einem ohmschen Widerstand 40 verbindet den Ausgang 37c des Differenzverstärkers 37 mit dessen invertierendem Eingang 37b.
Die dargestellte Schaltungsanordnung arbeitet folgendermaßen. Wenn die Eingangsklemmen T1 und T2 der Schaltungsanordnung mit einer niederfrequenten Speisequelle, beispielsweise einer Netzspannung von 110 V, 60 Hz verbunden werden, erzeugen die Gleichrichtermittel RM eine Gleichspannung, die an den Eingängen 16a, 16b der Mittel II mit niedriger Frequenz variiert. Die Steuerungsmittel 17 bringen das Schaltelement 13 mittels einer Schaltspannung Vs an der Steuerelektrode 13a abwechselnd während einer Einschaltzeit in einen leitenden Zustand und während einer Ausschaltzeit in einen nicht leitenden Zustand. Infolge des Schaltens des Schaltelementes 13 fließt ein mit hoher Frequenz variierender Strom in der Primärwicklung 15a des Transformators 15, sodass in dessen Sekundärwicklung 15b eine mit hoher Frequenz variierende Spannung induziert wird. Diese letztere Spannung wird durch die Diodenbrücke 20a-20d und den kapazitiven Widerstand 21 in eine ungefähr konstante Gleichspannung umgewandelt. Die Halbleiterlichtquelle LI wird mit dieser Gleichspannung gespeist.
Zur Verdeutlichung zeigt 5 schematisch den Verlauf der Speisespannung Vv, der Signale Sc und Sf, des Steuersignals S, der Schaltspannung Vs und des Speisestroms Iv. Der Deutlichkeit halber wird in 5 eine Situation dargestellt, bei der die Schaltfrequenz des Wandlers nur um eine Größenordnung höher ist als die Frequenz der Speisequelle. Tatsächlich ist die Schaltfrequenz des Wandlers üblicherweise viel höher, beispielsweise einige zehn kHz, als die Frequenz der Speisequelle, beispielsweise 50 oder 60 Hz. Die Mittel III generieren ein Signal Sc, dessen Wert ungefähr proportional zum Momentanwert der Speisespannung Vv ist. Der Wert dieses Signals Sc ist während eines Intervalls Δt in jeder Halbperiode der Speisespannung höher als das um die Basis-Emitter-Spannung des Halbleiterschalters 4 erhöhte Fehlersignal Sf. Der Halbleiterschalter 4 nimmt dann einen leitenden Zustand an, sodass ein Strom durch den Zweig 4–7 fließt. Die Folge hiervon ist ein Spannungsabfall am ohmschen Widerstand 7, was den Halbleiterschalter 8 in einen leitenden Zustand bringt. Die Spannung S' am nicht invertierenden Eingang 11a des Differenzverstärkers 11 und somit auch die Spannung des Steuersignals S steigt daher an. Der Anstieg der Spannung des Steuersignals S hat zur Folge, dass die Dauer von Impulsen der Schaltspannung Vs zunimmt. Dies verlängert auch die Einschaltzeit des Schaltelementes 13. Mit dieser Zunahme der Einschaltzeit des Schaltelementes 13 erreichen die Mittel II, dass während der Intervalle Δt der Speisequelle ein verhältnismäßig starker Speisestrom Iv1 entzogen wird. Sobald das Signal Sc wieder niedriger ist als das um die Basis-Emitter-Spannung des Halbleiterschalters 4 erhöhte Fehlersignal Sf wird das Steuersignal S wieder abnehmen. Daher wird die Einschaltzeit des Schaltelementes 13 verkürzt, sodass die Mittel II erreichen, dass jetzt der Speisequelle ein verhältnismäßig schwacher Speisestrom Iv2 entzogen wird.
Da die Eingänge 22a, 22b der Mittel V mit der Halbleiterlichtquelle LI in Reihe geschaltet sind, wird am ohmschen Widerstand 23 eine Spannung auftreten, die proportional zu dem von der Halbleiterlichtquelle LI aufgenommenen Strom ist. Die vom Differenzverstärker 25 erzeugte Spannung des Signals Si ist gleich der Spannung am ohmschen Widerstand 23, multipliziert mit einem konstanten Faktor. Da die Spannung an den LEDs ungefähr konstant ist, ist das Signal Si ein Maß für die von den LEDs aufgenommene Leistung.
Mittels der Reihenschaltung aus dem ohmschen Widerstand 27 und dem Durchbruchelement 28 in den Mitteln VI wird an dem Netzwerk aus ohmschen Widerständen 29, 30, 31 eine nahezu konstante Spannung erzeugt. Der Widerstandswert des temperaturabhängigen ohmschen Widerstandes 31 nimmt ab, je mehr die Umgebungstemperatur ansteigt. Infolgedessen steigt die Spannung des Signals St. Die ohmschen Widerstände 29, 30 und 31 können so gewählt werden, dass die Spannung des Signals St, bei Umgebungstemperaturen, wie sie in der Praxis auftreten, beispielsweise über den Bereich von –40 °C bis +75 °C, ungefähr ein Maß für die Leistung ist, die die Halbleiterlichtquelle LI aufneh men muss, um den gewünschten Lichtstrom zu liefern. Die Differenzverstärker 34 und 37 der Mittel VII geben ein Signal S f ab, dessen Spannung ungefähr gleich einem konstanten Faktor ist, multipliziert mit der Differenz zwischen dem Wert des Signals Si und dem Wert des Signals St. Der Wert des Signals Si steigt umso mehr, je höher die von der Halbleiterlichtquelle LI aufgenommene Leistung wird. Der Wert des Fehlersignals Sf, mit dem das Signal Sc verglichen wird, steigt ebenfalls in dem gleichen Maß, in dem die Differenz zwischen dem Wert des Signals Si und dem des Signals St größer wird. Daher wird auch ein höherer absoluter Momentanwert der Speisespannung gefordert, damit die Mittel II bewirken, dass ein verhältnismäßig starker Speisestrom gezogen wird. Die Zeitdauer Δt des Intervalls, während der der Speiseeinheit ein verhältnismäßig starker Speisestrom entzogen wird, und somit die von der Schaltungsanordnung aufgenommene Leistung, wird dadurch begrenzt. Die von der Halbleiterlichtquelle LI aufgenommene Leistung wird dadurch auch begrenzt, sodass diese Leistung sich selbst auf einen Wert nahe einem Sollwert für eine gegebene Umgebungstemperatur einstellt.
Bei einer praktischen Realisierung ist die Halbleiterlichtquelle LI mit einer Schaltung versehen, die achtzehn LEDs umfasst. Die achtzehn LEDs sind in drei Reihenschaltungen aus je sechs LEDs angeordnet. Jeder der Verbindungspunkte zwischen zwei aufeinander folgenden LEDs in einer der Reihenschaltungen ist darin mit einem entsprechenden Verbindungspunkt in den anderen beiden Reihenschaltungen verbunden. Die verwendeten LEDs haben je eine Spannung von 2,5 ± 0,5 V für einen Strom von 250 mA. Die Diodenbrücke 1a–1d ist bei dieser praktischen Realisierung mit Dioden vom Typ 1N4007 ausgeführt. Das unidirektionale Element 5 ist eine Diode vom Typ 1N418. In der Diodenbrücke 20a–d sind 20a und 20b gemeinsam als Dioden ausgeführt, die eine gemeinsame Kathode haben, vom Typ BYV 118F. 20c und 20d sind Dioden vom Typ BYV 10–40. Das Durchbruchelement 28 ist eine Zenerdiode mit einer Durchbruchspannung von 6,2 V, vom Typ 1N825. Die Halbleiterschalter 4 und 8 werden von Transistoren vom Typ BCX70 gebildet. Ein FET vom Typ STP3N100 dient als Schaltelement 13. Die Differenzverstärker 11, 25, 34 und 37 sind als Operationsverstärker vom Typ NE532 ausgeführt. Die Steuerungsmittel 17 werden durch einen Timer-IC vom Typ NE7555 gebildet. Anschlusstifte 5 und 3 dieses IC bilden den Eingang 17a bzw. den Ausgang 17b des in 3 dargestellten Steuerungsmittels. Die induktive Widerstand 14 hat einen Induktanzwert von 600 μH. Das Verhältnis der Windungszahl der Primärwicklung zu der der Sekundärwicklung des Transformators 15 beträgt 4. Der temperaturabhängige ohmsche Widerstand 31 ist als NTC aus geführt, Hersteller Philips, Typ 2322 640 90106. Die stabilisierte Spannungsquelle zum Generieren der Spannung an der Klemme Vcc ist vom Typ LM78L09. Die anderen Bauelemente haben die in der folgenden Tabelle aufgelisteten Werte:
Um das Verhalten der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zu untersuchen, wurde der der Speisequelle entzogene Strom Iv als Funktion der Zeit t gemessen. Die Schaltungsanordnung wurde mit einer Speisequelle betrieben, die eine Frequenz von 60 Hz hatte. Der Effektivwert Veff der von der Speisequelle gelieferten Spannung wurde variiert. Außerdem wurden verschiedene Umgebungstemperaturen Tamb simuliert. Die Simulation der Umgebungstemperatur erfolgte dadurch, dass der temperaturabhängige ohmsche Widerstand 31 durch einen nicht von der Temperatur abhängigen ohmschen Widerstand ersetzt wurde, der einen Widerstandswert hatte, den der temperaturabhängige ohmsche Widerstand 31 bei der zu simulierenden Temperatur haben würde, d. h.: 332 kΩ bei –40°C, 10 kΩ bei 25°C, und 1,5 kΩ bei 74°C.
6A, 6B, 6C zeigen die Testergebnisse der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung unter Bedingungen, die Veff = 80 V, Tamb = 74°C; Veff = 117 V, Tamb = 25°C bzw. Veff = 135 V, Tamb = –40°C entsprechen. In diesen Figuren stellt Kurve a den der Speisequelle entzogenen Strom Iv (mA) als Funktion der Zeit t (ms) während einer Periode der Speisespannung Vv (V) dar (Kurve b). Die Linie c ist der 150-mA-Pegel des Speisestroms, der während jedes Periode der Speisequelle entzogen werden muss, um den SSR zuverlässig einschalten zu lassen. In 6A, 6B, und 6C beträgt die Dauer des Intervalls Δt 5,2 ms, 3,3 ms bzw. 2 ms. Der Wert des verhältnismäßig starken Speisestroms, den die Schaltungsanordnung im Intervall Δt der Speisequelle entzieht, ist in jeder der stark unterschiedlichen untersuchten Umstände höher als die minimale Forderung von 150 mA, was ein zuverlässiges Einschalten der SSRs ermöglicht.
Die Halbleiterlichtquelle LI benötigt eine verhältnismäßig hohe Leistung, um bei hohen Temperaturen den gewünschten Lichtstrom zu liefern. Das Fehlersignal Sf hat unter diesen Umständen einen verhältnismäßig niedrigen Wert. Ein niedrigerer Wert des Fehlersignals Sf am Eingang I2' der Mittel I' führt zu einer höheren Spannung am Ausgang des Differenzverstärkers 11. Daher hat die Spannung des Steuersignals S einen Wert, der höher ist als im Fall eines niedrigeren Wertes des Fehlersignals Sf sowohl in dem ersten Bereich als auch in dem zweiten Bereich. Bei der hier beschriebenen praktischen Realisierung steigt bei einer Abnahme des Fehlersignals Sf von 10 V auf 0 V der Wert des Steuersignals S in dem ersten Bereich von 4,7 V auf 6,2 V an. In dem zweiten Bereich steigt der Wert des Steuersignals S bei dieser gleichen Abnahme des Fehlersignals von 2,0 V auf 3,5 V an. Die Mittel I' ermöglichen, dass die Schaltungsanordnung die aufgenommene Leistung auch dann erhöht, wenn eine Zunahme des Intervalls Δt nicht mehr möglich ist.

Claims

Schaltungsanordnung mit: – Eingangsklemmen (T1, T2) zum Entnehmen eines Speisestroms (Iv) aus einer Speisequelle (Vin), – Mitteln I zum Generieren eines Steuersignals S, – Mitteln II, mit einem Wandler versehen, der mit zumindest einem Schaltelement (13) ausgerüstet ist und mit Steuerungsmitteln (17), die das genannte Schaltelement mit hoher Frequenz in einer Weise triggern, die vom Wert des Steuersignals S abhängt, – Mitteln III zum Erzeugen einer Spannung Sc, die ein Maß für einen Momentanwert einer von der Speisequelle (Vin) gelieferten Speisespannung (Vv) ist, – mit den Mitteln II gekoppelten Ausgangsklemmen (T3, T4) zum Anschluss an eine Lichtquelle (LI), dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung Sc als Bezugssignal wirkt, das bewirkt, dass die Mittel I ein Steuersignal S generieren, das abwechselnd in einem ersten Bereich und in einem zweiten Bereich liegt, wobei die Mittel II das Ziehen eines verhältnismäßig starken Speisestroms (Iv1) bei einem Wert des Steuersignals S bewirken, der in dem ersten Bereich liegt und das Ziehen eines verhältnismäßig schwachen Speisestroms (Iv2) bei einem Wert des Steuersignals S, der in dem zweiten Bereich liegt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal S für einen verhältnismäßig hohen absoluten Momentanwert der Speisespannung (Vv) in dem ersten Bereich liegt und das Steuersignal für einen verhältnismäßig niedrigen absoluten Momentanwert der Speisespannung S in dem zweiten Bereich liegt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel I, II, und III Teil eines Regelsystems zum Regeln eines von der Lichtquelle (LI) gelieferten Lichtstroms sind, welches Regelsystem zudem Mittel IV umfasst zum Generieren eines Fehlersignals Sf das ein Maß für die Differenz zwischen einer von der Lichtquelle (LI) aufgenommenen Leistung und einem Sollwert ist, während das von den Mitteln I generierte Steuersignal S auch teilweise vom Fehlersignal Sf abhängig ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel IV mit Mitteln V versehen sind zum Generieren eines Signals Si aus einem von der Lichtquelle (LI) aufgenommenen Strom, Mitteln VI zum Generieren eines Signals St aus einer Umgebungstemperatur in einer Umgebung der Lichtquelle und Mitteln VII zum Berechnen des Fehlersignals Sf aus dem Signal Si und dem Signal St.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel I mit Mitteln I' versehen sind, um bei einer Abnahme des Fehlersignals Sf eine Änderung des Steuersignals zu bewirken, wobei diese Änderung bewirkt, dass die Mittel II eine Zunahme des verhältnismäßig starken Speisestroms erzeugen.