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Die
Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Steuerkreis zur
Einstellung der Regelspannung einer zu überwachenden Vorrichtung, mit
einer Primärspule
des Regelkreises, einem Steuerbus mit einer ersten Sekundärspule,
einer ersten Steuerdiode, einem ersten Kondensator und Mitteln zur
Einstellung der Steuerspannung, die parallel mit dem ersten Kondensator
verbunden sind, wobei die Parallelschaltung ferner in Reihe zur
ersten Sekundärspule
und der ersten Steuerdiode liegt, und einem Regelspannungsversorgungskreis,
der eine in Reihe geschaltete zweite Sekundärspule, eine zweite Steuerdiode
und einen zweiten Kondensator aufweist.
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In
der vorliegenden Patentschrift wird mit dem Begriff der Diode auf
eine beliebige elektronische Komponente verwiesen, die den Strom
wie eine Diode nur in einer Richtung leitet. Für einen Experten lässt sich
dieser Sachverhalt offensichtlich z. B. durch einen Transistor realisieren.
Gleichermaßen
ist unter dem Begriff des Kondensators ein beliebiges kapazitives
Element zu verstehen, das elektrisch aufladbar ist.
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Elektronische
Regelkreise gebrauchen gewöhnlich
separate Steuerkreise, die oftmals eine galvanische Trennung von
der zu überwachenden
technischen Einrichtung erfordern. Eine galvanische Trennung ermöglicht eine
ausreichende elektrische Trennung verschiedener elektrischer Kreise
und überträgt zugleich
Spannungssignale von einem elektrischen Kreis auf den anderen. Die
Galvanische Trennung ist bei optischen und magnetischen Komponenten
realisiert.
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Der
Gebrauch von Gleichspannungen von 1 bis 10 Volt als Regelspannung
ist mittlerweile in vielen elektronischen Regelkreisen verbreitet,
insbesondere in Beleuchtungssteuerungen. In diesem Fall stellt eine
10 V Regelspannung einen maximalen und eine 1 V Spannung entsprechend
einen minimalen Beleuchtungspegel dar. Die Min- und Max-Pegel der Beleuchtungsspannung
können
vorzugsweise frei gewählt
und die Regelbeleuchtungsspannung stufenlos zwischen diesen Min-
und Max-Pegelwerten eingestellt werden. Normalerweise wird die Betriebs spannung
einer Regeleinheit direkt von der Spannungsquelle der technischen
Einrichtung versorgt. Die Spannungsquelle liefert den Strom über einen Steuerbus
an die Regeleinheit. Dieses Lösungskonzept
ermöglicht
eine einfache Realisierung solch eines Regelkreises, wobei der Regelkreis
nicht notwendigerweise einer externen Betriebsspannung bedarf. Solch
ein Steuerungsprinzip wird oftmals z. B. zur Einstellung von elektronischen
Steckverbindern in Leuchtstofflampen, Phasenanschnittssteuerungen und
Transformatoren elektronischer Halogen- und Neonlampen verwendet.
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Ein
Regelkreis ist oftmals in einer Verbindung, wie in 1 dargestellt,
realisiert. Diese umfasst einen Regeltransformator T1, bestehend
aus drei Spulen N1, N2 und N3. N1 ist die Primärspule des Regeltransformators,
N2 die Sekundärspule
des Steuerbusses 1 und N3 die Sekundärspule einer zu regelnden Einrichtung.
Der Steuerbus umfasst ferner eine Diode D1, eine einstellbare Zenerdiode
(Z-Diode) Z1 und einen Kondensator C1. Die Diode D1 ist mit der
Sekundärspule
N2 des Steuerbusses in reihe geschaltet. Die Zenerdiode Z1 und der
Kondensator C1 sind parallel geschaltet, die Parallelschaltung wiederum
der Reihe nach mit der Sekundärspule
N2 des Steuerbusses 1 und der Diode D1 in Serie geschaltet.
In einem Steuerspannungsversorgungskreis 2 ist die Sekundärspule N3
der zu regelnden Einrichtung in reihe verbunden mit der Diode D2
und dem Kondensator C2. Ein Schalter K1 ist mit der Primärspule N1
des Transformators gekoppelt und wird mittels eines Steuerblocks
A geöffnet
und geschlossen. Die Funktionsweise des Steuerblocks A ist dem Fachmann
geläufig
und wird an dieser Stelle nicht näher beschrieben.
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Die
Verbindung des Regelkreises ist bekanntlich eine Zwangsrückkopplung
(-rückführung). Mit
dem Schließen
des Schalters K1 fließt
ein Magnetisierungsstrom durch die Primärspule N1 des Transformators
T1. Die Größenordnung
des Magnetisierungsstroms variiert beträchtlich zwischen 5 und 100
mA. Der Betriebsstrom des Steuerblocks A liegt üblicherweise zwischen 3 und
5 mA. Die Windungsrichtung der Transformatorspulen T1 sind derartig ausgelegt,
dass die Enden der Sekundärspulen
N2 und N3 auf Seiten der Dioden D1 und D2 negativ sind, wenn der
Magnetisierungsstrom fließt,
wodurch der Stromfluss in den Spulen N2 und N3 unterbunden wird.
Der Pegel der Regelspannung wird durch eine Zenerdiode Z1 gesteuert.
Beim Aufsteuern des Schalters K1 durch den Steuerblock A wird in
den Sekundärspulen
N2 und N3 durch die im Ferrit des Trans formators T1 gespeicherte
magnetische Energie ein Strom erzeugt, durch den die Kondensatoren C1
und C2 aufgeladen werden. Die Größe der über dem
Kondensator C1 abfallenden Spannung Uc wird durch die Zenerdiode
Z1 eingestellt. In diesem Fall entspricht, unter der Vorraussetzung,
dass die Sekundärspulen
N2 und N3 die gleiche Anzahl an Spulen haben, ist die Regelspannung
Ue der zu regelnden Einrichtung gleich der Spannung Uc, d. h. Ue
= Uc. Auf diese Weise wird die durch die Zenerdiode Z1 zur Regelung
des Leuchtpegels justierte Spannung magnetisch übertragen.
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Gemäß dem Stand
der Technik kann der Regelkreis auch durch eine Verbindung, wie
in 2 dargestellt, realisiert werden. Die Darstellung
in 2 ist bekanntlich ein Sperrschwinger, in dem,
im Vergleich zur Darstellung in 1, der Steuerblock
A und der Schalter K1 durch einen Transistor V1, die Widerstände R1,
R2 und R3 und einen Kondensator C3 ersetzt werden. In Verbindung
mit einer Spule N1 bilden diese einen Schwingkreis, in dem die Spule
N1 mit dem Emitter des Transistors V1, verbunden ist. Die Widerstände R1 und
R2, die Spule N3 und der Widerstand R3 sind parallel dazu bezüglich der
Betriebsspannung angeordnet, und der Kondensator C3 parallel zu
den Widerständen
R1 und R2 und der Spule N3. Der Filterkondensator C2 kann aufgrund der
Sperrrichtungsdiode D2 zwischen dem Transistor V1 und der Spule
N1 nicht aufgeladen werden. Der Basisstrom des Transistors kann
vorzugsweise z. B. zwischen den Widerständen R1 und R2 entnommen werden.
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Der
Basisstrom des Transistors V1 fließt über einen Widerstand R2, die
Spule N3 und den Widerstand R3, und führt den Transistor in einen
Sättigungszustand,
wodurch der Betriebszustand des Transistors einem geschlossenen
Schalter entspricht und die Spule N1 folglich mit dem Transistor
V1 bezüglich
der Betriebsspannung Vcc gekoppelt wird. Durch den durch die Spule
N1 fließenden
Strom arbeitet diese bezüglich
der Spule N3 als Primärspule, wobei
eine in N3 zunehmende Spannung die Sättigung des Transistors V1
verstärkt.
Nimmt der durch die Spule N1 fließende Strom bis zu dem Punkt
zu, dass der Basisstrom nicht länger
ausreicht den Transistor V1 in einem gesättigten Zustand zu halten, kehrt
sich die Stromrichtung durch den Transistor V1 um. Nimmt die Spannung über der
Spule N1 ab, nimmt auch der Basisstrom des Transistors V1 ab, was
einer offenen Schalterstellung entspricht. Eine umgekehrte Stromrichtung öffnet die
Diode D2, wodurch eine Regelspannung Ue über dem Kondensator C2 abfällt, deren
Größenordnung
durch das Verhältnis
der Windungen der Spulen von N1 und N2 bestimmt werden kann, d.
h. Ue = (–N1/N2)*Uc.
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Mit
anderen Worten, nach dem Stand der Technik wird der Magnetisierungsstrom
der Primärspule
aus der Betriebsspannung der Steuerungselektronik der zu regelnden
Einrichtung entnommen, wobei die Spannung üblicherweise zwischen 10 und 15
V liegt. Für
den Fall eines Regelstroms von 1 mA, ein für den Regelstrom typischer
Wert, beträgt
der Ausgangspegel entsprechend (10–15 V)*1 mA = 10 bis 15 mW.
Der Wirkungsgrad der Verbindung in 1 beträgt ca. 0.5
und der in 2 ca. 0.2. In diesem Fall ist
der Energieverbrauch der Verbindungen entsprechend 2 mA und 5 m
mA. Außerdem
verbraucht der in 1 aufgeführte Steuerungsblock typischerweise
zwischen 3 und 5 mA an Strom.
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Lösungen nach
dem Stand der Technik zeigen aber deutliche Nachteile auf. In den
beiden oben aufgeführten
Verbindungen wirkt die Spannungsquelle der zu regelnden Einrichtung
auch als Spannungsquelle des Regelkreises, wodurch der Energieverbrauch
erhöht
wird. In der Verbindung der 1 benötigt der
Steuerungsblock A einen eigenen Betriebsstrom. In beiden Verbindungen
benötigt
der Transformator T1 im Vergleich zum gesamten Regelkreis signifikant
viel Bauraum. Die Größe des Transformators
wird maßgeblich
durch die Isolationsklasse und die Größe der Spulen bestimmt. Wird
eine Vielzahl von Windungen benötigt,
steigt die Anzahl an Spulen entsprechend an. Vom Standpunkt des
Betriebes ist der Einsatz eines kleinen ringförmigen Körpers (Ringspule) oder eines
E Spulenkerns bei einer Frequenz von z. B. ungefähr 20 kHz vorteilhaft und die
erforderliche Anzahl an Windungen der Spulen beträgt der Reihe
nach entsprechend N1/N2/N3 15/10/10 für die Verbindung in 1 und
N1/N2/N3 10/10/3 für
die Verbindung in 2.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es einen Regelkreis bereitzustellen,
der die genannten Nachteile behebt. Genaugenommen wird der Regelkreis
durch eine Primärspule
gekennzeichnet, die zwischen einem ersten und einem zweiten Knoten der
zu regelnden Einrichtung liegt. Des Weiteren sind die Knotenpunkte
in der Art angeordnet, dass der Strom eines elektrischen Kreises
zwischen diesen Knoten für
mindestens einen Augenblick den Wert Null annimmt. Die wesentliche
Idee der Erfindung besteht darin einen Magnetisierungsstrom, ohne
eine zusätzliche
separate Regelungselektronik, in der Primärspule zu erzeu gen. Dabei soll
dieser Magnetisierungsstrom durch die Spannungsquelle der zu regelnden
Einrichtung erzeugt werden. Eine andere bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung sieht eine Primärspule,
mit einer einzigen Windung, vor. Hierbei wird ein hoher Magnetisierungsstrom
erzeugt.
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Ein
Vorteil der Erfindung ist die geringere Anzahl von Komponenten im
Regelkreis, die aus einer einfachen Verbindung resultiert. Die Primärspule hat lediglich
eine Wicklung, was einen weiteren Vorteil der Erfindung darstellt.
Mit dem geringeren Wicklungsaufwand verkleinert sich auch die Transformatorgröße. Des
Weiteren bewirkt die Lösung
der Erfindung Energieeinsparungen, dadurch das der Magnetisierungsstrom
direkt der zu regelnden Einrichtung entnommen wird.
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Im
Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen
noch detaillierter beschrieben, in welchen
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1 ein
Ausführungsbeispiel
eines Regelkreises nach dem Stand der Technik,
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2 ein
anderes Ausführungsbeispiel
eines Regelkreises nach dem Stand der Technik,
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3 einen
Regelkreis der Erfindung als exemplarisches Schaltbild und
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4 das
erfindungsgemäße Schaltbild
einer Halbbrückenkonfiguration,
die in der Erfindung eingesetzt werden kann, zeigt.
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3 ist
ein Schaltbild des Regelkreises der Erfindung. Die Verbindung umfasst
einen Transformator T1, bestehend aus drei Spulen N1, N2 und N3. N1
ist die Primärspule
des Transformators, N2 die Sekundärspule eines Steuerbusses 1 und
N3 die Sekundärspule
der zu regelnden Einheit. Ferner umfasst der Steuerbus 1 eine
Diode D1, Mittel zur Einstellung der Regelspannung, vorzugsweise
eine Zenerdiode Z1 und einen Kondensator C1. Die Diode D1 ist seriell
mit der Sekundärspule
N2 des Steuerbusses 1 verbunden. Die Zenerdiode Z1 und
der Kondensator C1 sind parallel miteinander verbunden, die Parallelschaltung
indessen seriell mit der Sekundärspule
N2 des Steuerbusses 1 und der Diode D1. In einem Regelspannungsversorgungskreis 2 ist
die Sekundärspule
N3 der zu regelnden Einrichtung seriell mit der Diode D2 und dem
Kondensator C2 verbunden. In der Lösung der Erfindung ist die Primärspule N1
des Transformators T1 zwischen zwei Knotenpunkten der zu regelnden
Einrichtung angeordnet, wobei der Strom des elektrischen Kreises
zwischen diesen Knotenpunkten mindestens kurzzeitig den Wert Null
annimmt. Der Magnetisierungsstrom wird der Primärspule zugeführt, wodurch der
Transformator T1 mit magnetischer Energie geladen wird. Nimmt der
Strom im elektrischen Schaltkreis mit der Primärspule den Wert Null an, wird
die magnetische Energie über
die Sekundärspule
abgebaut. Typischerweise nimmt der elektrische Strom in allen Energiequellen
für einen
kurzen Augenblick den Wert Null an, oder erfährt eine Richtungsumkehr.
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Der
Regelkreis der Erfindung erfordert weder einen Steuerungsblock für die Primärspule noch
eine Schalterlösung
zur Steuerung des Magnetisierungsstroms. Dieser Umstand reduziert
die Anzahl der Regelkreiskomponenten, vereinfacht die Verbindung, reduziert
den für
die Verbindung erforderlichen Bauraum und verbessert die Betriebssicherheit
des Regelkreises. Die Spitzenstromwerte der Energieversorgung erreichen
fast immer 0.1 A, wodurch der Magnetisierungsstrom derartig hoch
ausfällt,
dass lediglich eine Spulenwindung gebraucht wird. Diese Tatsache
reduziert den Wicklungsaufwand und ermöglicht somit signifikant kleinere
Transformatorgrößen T1.
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Die
Lösung
der Erfindung führt
zur Einsparung des Energieverbrauchs. Einige Darstellungen der Erfindung
erreichen bis zu 5 mA an Stromeinsparungen. Dies ist insbesondere
signifikant für
den Fall, dass die Betriebsspannung der zu regelnden Einrichtung
aus der Netzspannung gewonnen wird, wobei die Energieeinsparung
größenordnungsmäßig 230 V*5
mA ☐ 1.2 W betragen kann.
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4 zeigt
den Schaltplan einer Halbbrückenkonfiguration,
die in der Erfindung benutzt werden kann. Die Verbindung in 4 kann
als Ballastkreis von z. B. einer Leuchtstofflampe verwendet werden.
In der Verbindung sind die Leuchtstofflampe E und der Kondensator
C4 parallel verbunden, die Parallelverbindung des Weiteren seriell
mit der Spule L1. Wenn Strom im Kreis fließt, wirkt der Kreis als LC Kreis
im Resonanzbereich. Dabei fällt
eine hohe Spannung über
dem Kondensator C4 ab und die Leuchtstofflampe E schaltet an. Daraufhin
beginnt der Kreis praktisch als LR Kreis zu funktionieren. Tendiert
die Lampe E abzuschalten, schwingt der LC Kreis erneut und hindert
dadurch diese daran. Die Spannungsversorgungsschalter K2 und K3
können z.
B. durch Transistoren nachgebildet werden, wodurch die Dioden D3
und D4 nicht notwendigerweise benötigt werden, was wiederum von
den Komponenten abhängt.
In diesem Fall kann der Regelkreis der Erfindung durch die Verbindung
der Primärspule
mit einem beliebigen elektrischen Kreis, vorzugsweise mit dem, der
durch Schalter K2 oder K3 gesteuert wird, umgesetzt werden. In diesem
Fall nimmt der Strom bevorzugt für
einen Moment den Wert Null an, so bald der Schalter öffnet.
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Für einen
Fachmann ist offensichtlich erkennbar, dass die Erfindung vielfältig umgesetzt
werden kann. Zum Beispiel könnten
anstelle einer Zenerdiode andere Regelkreise zur Einstellung der
Regelspannung verwendet werden. Folglich ist die Erfindung und deren
Ausführungsform
nicht auf die obigen Beispiele beschränkt, und kann im Schutzumfang
der angehängten
Ansprüche
variieren.