NL2013026B1 - Regelinrichting. - Google Patents

Abstract

Een regelinrichting voor een elektrische belasting omvat een thyristor geschakeld dimmercircuit (D), welk dimmercircuit een thyristor omvat tussen een voedingslijn (Vline) en de belasting (LED) om een instelbaar uitgangsvermogen aan de belasting af te geven. Het dimmercircuit (D) omvat een serieschakeling van de thyristor (Q1) en ten minste een regelbaar halfgeleiderweerstandselement (Q2) met een stuurelektrode (G). Een stuurspanning wordt aan de stuurelektrode (G) opgelegd die, althans gedurende bedrijf, wordt bepaald door een door de thyristor (Q1) gevoerde stroomsterkte (1).

Description

Regelinrichting

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een regelinrichting voor een elektrische belasting omvattende een thyristor geschakeld dimmercircuit, welk dimmercircuit een thyristor omvat tussen een voedingslijn en de belasting om een instelbaar uitgangsvermogen aan de belasting af te geven.

Een dergelijke inrichting wordt gewoonlijk aangeduid als dimmer en op aanzienlijke schaal toegepast voor het regelen (dimmen) van een daaraan gekoppelde lamp in een huisinstallatie of andere omgeving, waarbij de regelinrichting tussen de lamp en het aanwezig lichtnet wordt geschakeld. Een voorbeeld van een dergelijke regelinrichting is bijvoorbeeld bekend uit Europese octrooiaanvrage EP 2.599.202. De daarin beschreven dimmer omvat een Triac in combinatie met een LC-kring.

Een dergelijke triac dimmer is ontworpen voor het dimmen van gloeilampen. De triac zorgt voor een positieve aansnijding van de fase van de vigerende wisselspanning in het elektriciteitsnet, waarbij de parallel daaraan geschakelde RC-schakeling een daardoor gedefinieerde RC-tijd vertraging oplegt. Voor deze weerstand kan bijvoorbeeld een potentiometer worden toegepast, waarmee deze vertraging regelbaar is en daarmee de fractie van de positieve flank van de wisselspanning die wordt aangesneden. Dit bepaalt het uiteindelijke uitgangsvermogen dat aan de belasting wordt afgegeven.

Vanwege de faseaansnijding is een dergelijke triac dimmer gewoonlijk fundamenteel minder geschikt voor het dimmen van elektronische lasten zoals ledlampen. De triac als elementaire schakelaar in faseaansnijding dimmers veroorzaakt namelijk elektromagnetische storingen waardoor het noodzakelijk is een LC filter in de dimmer in te bouwen. Doordat voorheen overwegend gloeilampen als lichtbronnen werden toegepast, zijn de dimmers alleen getoetst aan de EMC ontstoornormen in combinatie met gloeilampen. Het LC filter is door de dimmerfabrikant dan ook gewoonlijk zodanig gedimensioneerd dat de regelinrichting in combinatie met een gloeilamp voldoet aan de gestelde ontstoornormen.

Omdat in de praktijk van oudsher overwegend triac dimmers zijn geïnstalleerd proberen fabrikanten van energiezuinige lampen, zoals LED lampen, dimbare ledlampen zo goed mogelijk te laten werken op een triacdimmer. De daardoor veroorzaakte variatie in LC filterontwerpen zorgt er echter voor dat een ledlamp bij de ene dimmer redelijk tot goed functioneert en bij een ander model slecht of niet. Omdat dit vooraf niet is te voorspellen stelt dit de gebruiker en installateur voor onverwachte verrassingen. Er bestaat dan ook behoefte aan een dimmer die in combinatie met vrijwel alle ledlampen goed functioneert en bovendien aan de gestelde ontstoomormen voldoet.

Een andere technische factor voor het niet goed functioneren van een ledlamp in combinatie met een triac dimmer is dat een elektronische lamp, zoals een LED lamp, een capacitieve belasting vormt. De triac dimmer is een faseaansnij dimmer die door de condensator in de ledlamp een hoge inschakelstroom en ongewenste schakeleffecten veroorzaakt. De standaard combinatie van triac, LC filter en de capaciteit van de LED lamp zorgt ervoor dat de lamp instabiel wordt en gaat knipperen.

Een oplossing die hiervoor in de praktijk wordt aangedragen is een regelinrichting waarbij de triac in de dimmer wordt vervangen door een transistor. In tegenstelling tot een triac, kan met een transistor de inschakelstroom op de zowel de hoogte als de helling (di/dt) wel worden beïnvloed, zodat ongewenste schakeleffecten uitblijven. Een transistor dimmer zonder LC filter kan aan de ontstoomorm bij gloeilampen voldoen door een gedefinieerde helling van de stroomverandering aan te brengen. Op deze wijze kan bovendien ook vrijwel iedere dimbare ledlamp goed dimmen.

Een nadeel van een dergelijke volledig op transitoren gebaseerde dimmer is echter een aanzienlijk gecompliceerdere topologie van de schakeling die nodig is in vergelijking met een aanzienlijk eenvoudiger dimmer topologie bij gebruik van een triac. Dit resulteert in aanzienlijk hogere kostprijs voor een transistor gebaseerde dimmer, wat mede een reden zou kunnen zijn waarom de transistorvorm dusverre niet goed van de grond gekomen. Een nadeel daarvan is dat dimbare LED lampen evenmin goed van de grond komen.

Met de onderhavige uitvinding wordt onder meer beoogd te voorzien in een regelinrichting die is gebaseerd op een relatief eenvoudige thyristorschakeling, maar waarmee naast gloeilampen ook LED lampen en andere capacitieve belastingen kunnen worden aangestuurd.

Om het beoogde doel te bereiken heeft een regelinrichting van de in de aanhef beschreven soort volgens de uitvinding als kenmerk dat het dimmercircuit een serieschakeling omvat van de thyristor (Ql) en ten minste een regelbaar halfgeleiderweerstandselement (Q2) met een stuurelektrode (G), waaraan een stuurspanning wordt opgelegd die, althans gedurende bedrijf, wordt bepaald door een door de thyristor gevoerde stroomsterkte. Aldus voorziet de uitvinding in een hybride ontwerp van een thyristor of triac in combinatie met een regelbaar halfgeleiderweerstandselement, dat in één dimmerbehuizing kan worden ondergebracht. Het voordeel van deze oplossing is dat met discrete componenten een eenvoudig reproduceerbare dimmer voor een acceptabele kostprijs kan worden gerealiseerd, zonder dat een LC-ontstoringsfilter nodig is. Dit laatste vermijdt de beschreven mismatch problemen met capacitieve belastingen zoals LED lampen. Het standaard thyristor circuit zorgt voor het op tijd aan en uitschakelen van de stroom waarna het regelbare halfgeleiderweerstandselement de toe -en afname van de stroom beïnvloed in de vorm van een regelbare weerstand, die vanwege de thyristor wordt gestuurd en opgelegd.

Een bijzondere uitvoeringsvorm van de regelinrichting is daarbij gekenmerkt doordat het halfgeleiderweerstandselement een transistor omvat, in het bijzonder een veldeffect transistor met een poortelektrode die als de stuurelektrode dient. In een praktische uitvoeringsvorm is het geregelde uitgangsvermogen van de regelinrichting daarbij afneembaar van een hoofdelektrode van deze transistor, waarvan een weerstand regelbaar is en wordt opgelegd door de thyristor.

Voor de regeling van de stuurspanning van de regelbare weerstand kan worden uitgegaan van een verdere bijzondere uitvoeringsvorm van de regelinrichting volgens de uitvinding, welke is gekenmerkt doordat de stuurelektrode van het regelbare halfgeleiderweerstandselement aan een serieschakeling van een weerstand en een condensator is gekoppeld om daarvan de stuurspanning te ontvangen, welke serieschakeling parallel aan de thyristor tussen de voedingslijn en een uitgang van de regelinrichting is geschakeld.

Met voordeel wordt het stroom voerende vermogenscircuit van de regelinrichting galvanisch gescheiden van de sturingsschakeling van de stuurelektrode van het halfgeleiderweerstandselement. Daartoe heeft een voorkeursuitvoeringsvorm van de regelinrichting volgens de uitvinding als kenmerk dat het dimmercircuit een elektro-optische scheidingsinrichting omvat, met een licht emitterend halfgeleiderelement dat parallel aan de thyristor is geschakeld aan een primaire zijde en met een optisch daarmee gekoppeld lichtgevoelig halfgeleiderschakelelement aan een secundaire zijde, waarbij een hoofdelektrode van het halfgeleiderschakelelement aan de stuurelektrode van het halfgeleiderweerstandselement is gekoppeld.

Meer in het bijzonder omvat het licht emitterende halfgeleiderelement van de elektro-optische scheidingsinrichting daarbij een licht emitterende diode en het lichtgevoelige halfgeleiderschakelelement een bipolaire transistor met een lichtgevoelige basiselektrode, waarbij een collector-elektrode van de transistor aan de voedingslijn en aan de stuurelektrode van het halfgeleiderweerstandselement is gekoppeld en een emitter-elektrode met een uitgang van de dimmerschakeling.

De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld en een bijbehorende tekening. In de tekening toont: figuur 1 een principeschets van de werking van de thyristorschakeling volgens de uitvinding; en figuur 2 een uitgewerkt schakelschema van een praktisch uitvoeringsvoorbeeld van een regelinrichting volgens de uitvinding.

Overeenkomstige delen zijn in de figuren met eenzelfde verwijzingscijfer aangeduid.

In figuur 1 is een principeschakeling van de regelinrichting volgens de uitvinding weergegeven. Daarbij is uitgegaan van een LED-lamp (LED) als capacitieve belasting die is geschakeld tussen een fase (P) en nul (N) van een aanwezige wisselspanningsbron (W) van een lichtnet. Om de lamp (LED) te kunnen dimmen is een regelinrichting voorzien met een dimmerschakeling D die een thyristor (T) omvat in serie met een regelbaar halfgeleiderweerstandselement (R). De thyristor omvat bijvoorbeeld een triac en voor de regelbare weerstand wordt met voordeel een veldeffect transistor (FET) toegepast met een geïsoleerde poortelektrode als stuurelektrode (G).

Op het moment dat de triac (T) ontsteekt gaat stroom I lopen. In theorie geldt: I = C-LED * dU/dt. Zonder weerstand van de transistor (R) zou deze stroom theoretisch oneindig hoog zijn omdat dU groot is en dt extreem kort. In de praktijk is U maximaal 400V en dt is een parameter opgegeven door de triac fabrikant, meestal enige microseconden. Het quotient dU/dt is dan bijvoorbeeld 400/4.E-6= 100.E6. Stel dat de C in de ledlamp 1 OuF is, dan zou een inschakelpiekstroom gaan lopen van 1000 Ampère. In de praktijk wordt de stroom weliswaar beperkt door niet-bepaalde serie weerstanden in het circuit, maar ook dan is deze stroom nog steeds te hoog voor het voldoen aan ontstoornormen. Stel dat een aanvangsstroom van 1 OmA binnen de norm valt, dan moet de regelbare weerstand (R) een aanvangswaarde hebben van 400/10.E-3 = 40Kohm. Omdat de ledlamp bij deze weerstandswaarde onvoldoende stroom zou krijgen, moet meteen na het ontsteken van de triac de weerstand (R) proportioneel worden verlaagd naar, theoretisch, nul ohm.

Figuur 2 geeft een uitvoeringsvoorbeeld van een schakelinrichting volgens de uitvinding waarin dit werkingsprincipe is uitgewerkt. Naast de serieschakeling van een thyristor (T) en een regelbare halfgeleiderweerstand (R) in één dimmer, is daarin de wijze waarop de regelbare weerstand wordt verlaagd na het ontsteken van de thyristor nader uiteengezet. Daarbij is in dit voorbeeld voor de thyristor een triac (Ql) toegepast en omvat de regelbare halfgeleiderweerstand een n-type veldeffect transistor (Q2) met poortelektrode (G).

Parallel aan de triac (Ql) is een elekro-optische scheidingsinrichting (OC) geschakeld, met een licht emitterend halfgeleiderelement (UI), i.c. een licht emitterende diode, dat parallel aan de thyristor (Ql) is geschakeld aan een primaire zijde en met een optisch daarmee gekoppeld lichtgevoelig halfgeleiderschakelelement (Q3) aan een secundaire zijde. Een dergelijke inrichting wordt gewoonlijk aangeduid als opto-coupler en bewerkstelligd een galvanische scheiding tussen de primaire en secundaire zijde daarvan. Het daarin toegepaste halfgeleiderschakelelement (Q3) omvat in dit voorbeeld een pnp bipolaire transistor (Q3) met een lichtgevoelige basis (31) als stuurelektrode, die door de diode (UI) wordt aangestraald, en een collector (32) respectievelijke emitter (33) als stroom voerende hoofdelektroden. De collector (32) van de transistor (Q3) is via een weerstand (Rl) aan de poortelektrode (G) van het regelbare halfgeleiderweerstandselement, i.c. de transistor (Q2), gekoppeld, terwijl de emitter (33) aan de uitgang (Vdim) ligt.

De weerstand Rl maakt deel uit van een serieschakeling met een condensator (Cl) die parallel aan de thyristor (Ql) tussen de voedingslijn (Vline) en de uitgang (Vdim) is geschakeld. Op het moment dat na het ontsteken van de thyristor (Ql) de spanning daarover laag is, wordt transistoruitgang (33) van de daarmee parallel geschakelde opto coupler (OC) hoog en wordt de capaciteit Cl via de weerstand Rl opgeladen. De stuurelektrode (G) van de transistor (Q2) ontvangt van dit RC-circuit zijn stuurspanning. De oplopende spanning over Cl en dus van de stuurelektrode (G) van de transistor (Q2) zorgt ervoor dat de transistor (Q2) geleidelijk in geleiding komt en de stroom (I) evenredig kan toenemen.

Op het moment dat een sinus van de wisselspanningbron (W) een nuldoorgang nadert, komt de stroom door de thyristor (Ql) onder een houdstroom daarvan, waardoor deze uit geleiding gaat. Als gevolg hiervan komt de opto-coupler transistor Q3 in geleiding en zal deze Cl ontladen en de transistor Q2 uit geleiding halen. Bij het opnieuw triggeren van de thyristor (Ql) zal dit mechanisme zich herhalen.

Door middel van een regelbare weerstand (RO) in de vorm van bijvoorbeeld een potentiometer die in serie met een verdere capaciteit (CO) is geschakeld, kan het triggermoment handmatig worden ingesteld en daarmee de fractie van het ingangsvermogen dat aan de uitgang (Vdim) zal worden aangeboden. Aldus wordt op een bijzonder aantrekkelijke wijze een op een triac/thyristor gebaseerde dimmerregeling gerealiseerd, die zich behalve voor gloeilampen tevens voor capacitieve belastingen zoals LED lampen en fluorescentie lampen leent, zonder noemenswaard een kostprijs van de waarmee uitgevoerde regelinrichting te verhogen.

Hoewel de uitvinding aan de hand van louter een enkel voorbeeld nader werd toegelicht, moge het duidelijk zijn dat de uitvinding geenszins tot het gegeven uitvoeringsvoorbeeld is beperkt. Integendeel zijn binnen het kader van de uitvinding voor een gemiddelde vakman nog vele variaties en verschijningsvormen mogelijk.

Claims (8)

1. Regelinrichting voor een elektrische belasting omvattende een thyristor geschakeld dimmercircuit, welk dimmercircuit een thyristor omvat tussen een voedingslijn en de belasting om een instelbaar uitgangsvermogen aan de belasting af te geven, met het kenmerk dat het dimmercircuit een serieschakeling omvat van de thyristor (Ql) en ten minste een regelbaar halfgeleiderweerstandselement (Q2) met een stuurelektrode (G), waaraan een stuurspanning wordt opgelegd die, althans gedurende bedrijf, wordt bepaald door een door de thyristor gevoerde stroomsterkte.

2. Regelinrichting volgens conclusie 1 met het kenmerk dat het halfgeleiderweerstandselement (Q2) een transistor omvat, in het bijzonder een veldeffect transistor met een poortelektrode die als de stuurelektrode dient.

3. Regelinrichting volgens conclusie 2 met het kenmerk dat de transistor een hoofdelektrode omvat waaraan het geregelde uitgangsvermogen afneembaar is.

4. Regelinrichting volgens conclusie 1, 2 of 3 met het kenmerk dat de stuurelektrode (G) van het regelbare halfgeleiderweerstandselement (Q2) aan een serieschakeling van een weerstand (Rl) en een condensator (Cl) is gekoppeld om daarvan de stuurspanning te ontvangen, welke serieschakeling parallel aan de thyristor (Ql) tussen de voedingslijn (Yline) en een uitgang (Ydim) van de regelinrichting is geschakeld.

5. Regelinrichting volgens één of meer der voorgaande conclusies met het kenmerk dat het dimmercircuit een elektro-optische scheidingsinrichting (OC) omvat, met een licht emitterend halfgeleiderelement (UI) dat parallel aan de thyristor (Ql) is geschakeld aan een primaire zijde en met een optisch daarmee gekoppeld lichtgevoelig halfgeleiderschakelelement (Q3) aan een secundaire zijde, waarbij een hoofdelektrode (32) van het halfgeleiderschakelelement (Q3) aan de stuurelektrode (G) van het halfgeleiderweerstandselement (Q2) is gekoppeld.

6. Regelinrichting volgens conclusie 5 met het kenmerk dat het licht emitterende halfgeleiderelement een licht emitterende diode (UI) omvat en dat het lichtgevoelige halfgeleiderschakelelement een bipolaire transistor (Q3) met een lichtgevoelige basiselektrode (31), waarbij een collector-electrode (32) van de transistor aan de voedingslijn (Vline) en aan de stuurelektrode (G) van het halfgeleiderweerstandselement (Q2) is gekoppeld en een emitter-elektrode (33) aan een uitgang van de dimmerschakeling (D) is gekoppeld.

7. Regelinrichting volgens één of meer der voorgaande conclusies met het kenmerk dat de thyristor een triac omvat.

8. Regelinrichting volgens één of meer der voorgaande conclusie met het kenmerk dat de belasting een LED lamp omvat.