DE10148644A1

DE10148644A1 - Elektrische Schaltung zum Dimmen der beiden Halbwellen einer Wechselspannung

Info

Publication number: DE10148644A1
Application number: DE10148644A
Authority: DE
Inventors: Eric Burger; Gerhard Tritt
Original assignee: Robert Seuffer GmbH and Co KG
Current assignee: Seuffer GmbH and Co KG
Priority date: 2001-10-02
Filing date: 2001-10-02
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2021-10-03
Also published as: DE10148644B4

Abstract

Eine elektrische Schaltung zum Dimmen der beiden Halbwellen einer Wechselspannung mit einer Gleichrichtervollbrücke V102, welche mit ihren Wechselstromeingängen über einen in Reihe liegenden induktiven Verbraucher (TRAFO) mit einer Wechselspannungsquelle verbunden ist, und in deren Diagonale der Gleichstromausgänge ein Feldeffekttransistor Z1 geschaltet ist, bei dem die zwischen Gate und Source angelegte Steuerspannung von einem synchron mit der Wechselspannung betriebenen Optokoppler D4 gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung zum Dimmen der beiden Halbwellen einer Wechselspannung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Stand der Technik

Eine derartige aus der DE 37 43 556 A1 bekannte Schaltung weist eine Gleichrichtervollbrücke auf, welche mit ihren Wechselstromeingängen über einen in Reihe liegenden Verbraucher mit einer Wechselspannungsquelle verbunden ist und in deren Diagonale der Gleichstromausgänge ein steuerbares Halbleiterbauelement geschaltet ist. Bei der bekannten Schaltungsanordnung ist hierzu in der Diagonalen der Gleichstromausgänge eine aus einer Trigger-Diode und einem Varistor bestehende Reihenschaltung, die von zwei komplementären Transistorstufen angesteuert werden, vorgesehen, um in den beiden Halbwellen der Wechselspannung einen Phasenanschnitt zu erreichen.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, mit einem einfachen Schaltungsaufbau ein Dimmen der beiden Halbwellen einer Wechselspannung zu erreichen.

Diese Aufgabe wird bei der elektrischen Schaltung der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Bei der Erfindung wird das steuerbare Halbleiterbauelement von einem Feldeffekttransistor (MOSFET) gebildet, dessen Source-Drain-Strecke in der Diagonalen der Gleichstromausgänge der Gleichrichtervollbrücke liegt. Die zwischen Gate und Source angelegte Steuerspannung des Feldeffekttransistors wird von einem synchron mit dem Wechselstrom betriebenen Optokoppler gebildet. Der Betrieb des Optokopplers und damit die zwischen Gate und Source des Feldeffekttransistors angelegte Steuerspannung wird vorzugsweise derart eingestellt, dass der Phasenanschnitt in den jeweiligen Nulldurchgängen des dem Verbraucher zugeführten Wechselstromes liegt. Hierzu wird die Schaltstrecke (Source-Drain-Strecke) des Feldeffekttransistors bei Beginn der jeweiligen Halbwelle durchgeschaltet und nach Ablauf eines bestimmten Teils der Halbwelle, welcher von der gewünschten Dimmung abhängt, wird der Durchlasswiderstand der Schaltstrecke so gesteuert, dass bei der restlichen Halbwelle ein verringerter Strom fließt, der am Ende (Nulldurchgang) der Halbwelle abgeschaltet wird, um das gewünschte Dimmen der jeweiligen Halbwelle zu erhalten. Bei der Erfindung wird ein weiches Abschalten, bei dem die im Nulldurchgang durchgeschaltete Schaltstrecke des MOSFET im Verlauf der Haltwelle in den Ohmschen Bereich gebracht wird und bei Erreichen oder in der Nähe des folgenden Nulldurchgangs in den Sperrbereich kommt und dann wieder bei Beginn der neuen Haltwelle durchgeschaltet wird.

Durch die Erfindung wird ein Phasenanschnitts-Dimmer geschaffen, bei welchem ein Feldeffekttransistor (MOSFET) als weich schaltendes Bauteil verwendet wird. Die Ansteuerung des Feldeffekttransistors (MOSFET) erfolgt über einen Optokoppler, welcher die galvanische Trennung zwischen Netz und Niederspannung sicherstellt. Die Erfindung kommt vorzugsweise zur Steuerung des Versorgungsstroms von induktiven Verbrauchern z. B., Transformatoren und Elektromotoren zur Anwendung.

Wenn der Verbraucher ein induktiver Verbraucher, beispielsweise die Primärseite eines Transformators ist, können durch Störungen an der über den Transformator betriebenen Last, beispielsweise Niedervoltleuchten, wie Halogenlampen, Induktivitätsverschiebungen sich ergeben. Beispielsweise beim Ausfall einer Niedervoltleuchte kann sich die Induktivität des Transformators um einen Phasenwinkel von annähernd 90° verschieben. Es ist dann nicht mehr gewährleistet, dass der Phasenanschnitt im jeweiligen Nulldurchgang des Stromes erfolgt. Bei einem Schalten außerhalb des Stromnulldurchgangs wird durch Selbstinduktion eine Gegenspannung erzeugt, welche ein Vielfaches der Versorgungsspannung erreichen kann. Dies führt zu einer unzulässigen Verlustleistung und Erwärmung des Feldeffekttransistors, so dass dieser nach einigen Schaltzyklen zerstört werden kann. Um dies zu vermeiden, ist eine Überwachungsschaltung vorgesehen, welche den Zeitpunkt des jeweiligen Phasenanschnitts überwacht und mit dem jeweiligen Zeitpunkt des Nulldurchgangs des Wechselstroms vergleicht. Die Überwachungsschaltung kann hierzu einen Optokoppler aufweisen, dessen zeitliche Folge der optischen Signale mit den jeweiligen Nulldurchgängen des Wechselstroms für den Vergleich in Beziehung gesetzt wird. Die Überwachungsschaltung kann hierzu einen parallel zur Source-Drain- Strecke des Feldeffekttransistors geschalteten Ohmschen Widerstand aufweisen, an welchem die zur Erzeugung der optischen Signale des Optokopplers erforderliche Signalspannung abgegriffen wird.

Ferner können energiereiche Surge-Impulse (Überspannungsimpulse) ebenfalls zur Zerstörung des Feldeffekttransistors führen, da ein Überkopfzünden, wie bei einem Triac, zur Weiterleitung der Energie der Störimpulse nicht möglich ist. Zur Behebung dieses Problems ist in vorteilhafter Weise parallel zur Source-Drain-Strecke des Feldeffekttransistors ein Varistor geschaltet, über welchen die Surge-Impulse abgeleitet werden. Vorzugsweise sind der Ohmsche Widerstand, an welchen die Signalspannung zur Erzeugung der optischen Signale des Optokopplers abgegriffen wird, und der Varistor zur Bildung eines Varistor-Widerstands-Spannungsteilers, der parallel zur Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors liegt, in Reihe geschaltet. Auch bei der Überwachungsschaltung wird eine galvanische Trennung zwischen Netz und Niederspannung durch den Optokoppler erreicht.

Beispiele

Anhand der Figuren wird an einem Ausführungsbeispiel die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Schalterbild eines Ausführungsbeispiels, und
Fig. 2 eine das Dimmen einer Wechselstromhalbwelle erläuternde Kurvendarstellung.
Die dargestellte elektrische Schaltung dient zum Dimmen der beiden Halbwellen eines von einer Wechselspannungsquelle gelieferten Wechselstromes. Hierzu ist eine Dimmerschaltung vorgesehen, die eine Gleichrichtervollbrücke V102 aufweist, welche mit ihren Wechselstromeingängen über eine Primärspule eines Beleuchtungstransformators TRAFO mit der Wechselspannungsquelle in Reihe geschaltet ist. Mit Hilfe eines Relais L5 erfolgt das Einschalten und Ausschalten.
Die über den Transformator betriebene Beleuchtung kann aus einer oder mehreren Niedervoltlampen, insbesondere 12-V-Halogenlampen bestehen. Diese sind an die Sekundärseite des Transformators angeschlossen.
Zur Bildung eines Phasenanschnittdimmers ist in die Diagonale der Gleichstromausgänge der Gleichrichterbrücke V 102 die Source-Drain-Strecke eines Feldeffekttransistors (MOSFET) T1 geschaltet. Der Feldeffekttransistor ist vorzugsweise als selbstsperrender n-MOSFET ausgebildet. Die Ansteuerung des MOSFET erfolgt über einen ersten Optokoppler D4, dessen Phototransistor zur Lieferung der Steuerspannung zwischen Gate und Source des MOSFET T1 geschaltet ist. Die Kollektor- Ermitter-Spannung des Phototransistors bildet die Steuerspannung für den MOSFET T1. Diese Steuerspannung wird im Takt der Wechselspannung bzw. des Wechselstromes zwischen Gate und Source des MOSFET T1 gelegt. Hierzu ist der Kollektor des Phototransistors des Optokopplers 4 über eine Diode V103 und in Reihe dazu geschaltete ohmsche Widerstände R20, R25 und R120 mit der Wechselspannungsquelle verbunden. Ein zur Kollektor-Emitter-Strecke des Phototransistors parallelgeschalteter Kondensator C104 dient zur Glättung der positiven Kollektor-Emitter-Spannung und eine Zener-Diode V105 bildet einen Überspannungsschutz für den Phototransistor. Die jeweilige Zeitdauer, innerhalb welcher die Source-Drain- Strecke in Abhängigkeit von der Steuerspannung im Takt der Wechselspannung durchgeschaltet und gesperrt ist, wird durch die vom Treiber gesteuerte Lumineszenzdiode (LED) des Optokopplers D4 bewirkt. Diese Steuerung erfolgt, wie Fig. 2 veranschaulicht, so, dass beim Nulldurchgang des Wechselstroms bei Beginn einer neuen Wechselstromhalbwelle die Source-Drain-Strecke auf Durchlass geschaltet wird und vor dem Erreichen des nachfolgenden Nulldurchgangs die Schaltstrecke (Source-Drain) des MOSFET T1 durch entsprechende Einstellung des Betriebs des Optokopplers 5 in den ohmschen Bereich gebracht und in der Nähe oder im nachfolgenden Nulldurchgang in den Sperrbereich gesteuert wird. Man erreicht hierdurch ein Dimmen der jeweiligen Halbwelle. Der Treiber beinhaltet für die Steuerung des Betriebs des Optokopplers 5 einen Prozessor, welcher die mit der Wechselspannung bzw. dem Wechselstrom synchrone Steuerung der Lumineszenzdiode des Optokopplers 5 bewirkt. In der Fig. 2 ist strichliert der normale Sinus-Verlauf des an den Wechselstromausgängen der Gleichrichterbrücke V 102 vorhanden Wechselstromes dargestellt und die durchgezogene Kurve stellt den Stromverlauf dar, welcher durch das Dimmen erreicht werden kann. Durch eine Nulldurchgang-synchrone Steuerung der MOSFET- Schaltstrecke in den Sperrbereich und dazwischen mit dem Betrieb des MOSFET im Durchschaltbereich und ohmschen Bereich erreicht man die gewünschte Wechselstromsteuerung durch Dimmen der jeweiligen Halbwellen.
Die Reihenfolge der Steuerung des MOSFET zur Dimmung der jeweiligen Halbwelle kann auch umgekehrt werden, sodass bei Beginn der Halbwelle der MOSFET zunächst im ohmschen Bereich und bei der restlichen Halbwelle im Durchlassbereich betrieben wird.
Wenn beispielsweise durch einen Defekt an den Beleuchtungslampen aufgrund einer Phasenverschiebung der hohen Induktivität des Transformators durch Selbstinduktion Gegenspannungen erzeugt werden, die höher als die Versorgungsspannung sind, und das Schalten des MOSFET T1 außerhalb des Stromnulldurchgangs erfolgt, kann dies aufgrund der Verlustleistung zu hoher Erwärmung und Zerstörung des MOSFET führen. Ferner können Surge-Impulse ebenfalls den MOSFET zerstören. Hierzu ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel parallel zur Source-Drain-Strecke des MOSFET T1 ein aus einem Varistor R26 und einem Ohmschen Widerstand R28 bestehender Spannungsteiler vorgesehen. Die am Ohmschen Widerstand R28 stehende Spannung wird zum Betrieb einer Lumineszenzdiode (LED) eines zweiten Optokopplers D5 verwendet. Der Phototransistor des zweiten Optokopplers D5 ist an den Prozessor der Treiberstufe angeschlossen. Eine positive Kollektor- Emitter-Spannung wird von einer Gleichspannungsquelle (+ 5 V) über einen Ohmschen Widerstand R32 an den Phototransistor gelegt. Der Kollektor des Phototransistors ist an den Prozessor der Treiberstufe angeschlossen und der Emitter befindet sich auf Massepotential.
Die Lumineszenzdiode des zweiten Optokopplers D5 wird im Takt des Durchschaltes und Sperrens der Source-Drain-Strecke des MOSFET T1 betrieben. Entsprechende Signale werden dem Prozessor zugeleitet und der zeitliche Ablauf dieser optischen Signale wird mit den Nulldurchgängen des Wechselstroms, der die Primärseite des Transformators speist, verglichen. Hierdurch wird überwacht, ob der Phasenanschnitt phasengerecht im Nulldurchgang des Wechselstromes erfolgt. Die Abfragezeit wird hierbei stufenweise an den Phasenwinkel der Dimmung angepasst. Wenn das Dimmen der jeweiligen Halbwellen des Wechselstromes hiervon beispielsweise aufgrund eines Defekts im Beleuchtungssystem an der Sekundärseite des Transformators abweicht, ändert sich der Zeitablauf der optischen Signale des Optokopplers D5. Die Betätigung der Lumineszenzdiode des ersten Optokopplers D4 wird dann abgeschaltet. Es kann auch das Relais L5 abgeschaltet werden.
Wenn in der Source-Drain-Strecke des MOSFET T1 Surge-Impulse auftreten, kann diese kurzzeitige Spannungsüberlastung durch den Varistor R26 abgeleitet werden. Diese Überspannung wird ferner durch den Optokoppler D5 detektiert, da die Versorgungsspannung der Lumineszenzdiode dieses Optokopplers am Ohmschen Widerstand R28, der mit dem Varistor R26 in Reihe geschaltet ist, abgegriffen wird. Der Prozessor kann dann ebenfalls den ersten Optokoppler D4 sofort abschalten. Wenn sich derartige Vorgänge der Überlastung wiederholen, kann die gesamte Beleuchtung durch entsprechende Bedienung des Relais L5 abgeschaltet werden.
Beim oben dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Erfindung zur Beleuchtungssteuerung von Niedervoltlampen beschrieben, wobei die Primärseite des Beleuchtungstransformators angesteuert wird. Die Dimmerschaltung kann jedoch auch zur Steuerung des Versorgungsstromes anderer induktiver Verbraucher dienen und kommt vorzugsweise ferner bei der Steuerung der Stromversorgung von Wechselstrommotoren zum Einsatz. Durch die Erfindung wird ein Dimmen der jeweiligen Halbwellen des Wechselstromes in der Weise erreicht, dass der Phasenanschnitt durch den jeweiligen Nulldurchgang des Wechselstromes verläuft. Der Wechselstrom behält daher seines Sinus-Struktur bei. Bezugszeichenliste V102 Gleichrichtervollbrücke
Trafo Transformator
L5 Relais
D4 erster Optokoppler
D5 zweiter Optokoppler
V103 Diode
R20 ohmscher Widerstand
R25 ohmscher Widerstand
R26 Varistor
R28 ohmscher Widerstand
R32 ohmscher Widerstand
R120 ohmscher Widerstand
C104 elektrischer Kondensator
V105 Zener-Diode
T1 MOSFET

Claims

1. Elektrische Schaltung zum Dimmen der beiden Halbwellen einer Wechselspannung mit einer Gleichrichtervollbrücke (V102), welche mit ihren Wechselstromeingängen über einen in Reihe liegenden Verbraucher mit einer Wechselspannungsquelle verbunden ist und in deren Diagonale der Gleichstromausgänge ein steuerbares Halbleiterbauelement geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das steuerbare Halbleiterbauelement als Feldeffekttransistors (T1) ausgebildet ist, bei dem die zwischen Gate und Source angelegte Steuerspannung von einem synchron mit dem Wechselstrom betriebenen Optokoppler (D4) gebildet wird.

2. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldeffekttransistor als selbstsperrender n-MOSFET ausgebildet ist.

3. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Optokoppler (D4) derart gesteuert ist, dass der Phasenanschnitt im Nulldurchgang des Wechselstromes liegt.

4. Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachungsschaltung (D5, R28) den Zeitpunkt des jeweiligen Phasenanschnitts überwacht und mit dem jeweiligen Zeitpunkt des Nulldurchgangs des Wechselstroms vergleicht.

5. Elektrische Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsschaltung einen Optokoppler (D5) aufweist, dessen zeitliche Folge der optischen Signale mit den jeweiligen Nulldurchgängen des Wechselstromes für den Vergleich in Beziehung gesetzt wird.

6. Elektrische Schaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet dass die Überwachungsschaltung einen parallel zur Source-Drain-Strecke des Feldeffekttransistors (T1) geschalteten Ohmschen Widerstand (R28) aufweist, an welchem die zur Erzeugung der optischen Signale des Optokopplers (D5) erforderliche Spannung abgegriffen wird.

7. Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Source-Drain- Strecke des Feldeffekttransistor ein Varistor (R26) geschaltet ist, über welchen Surge-Impulse ableitbar sind.

8. Elektrische Schaltung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Varistor (R26) und der Ohmsche Widerstand (R28) in Reihe geschaltet sind.

9. Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher ein induktiver Verbraucher ist.

10. Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher ein Elektromotor, insbesondere Wechselstrommotor ist.

11. Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Verbraucher die Primärseite eines Transformators (TRAFO) ist.

12. Elektrische Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass an die Sekundärseite des Transformators (TRAFO) wenigstens eine Niedervoltleuchte angeschlossen ist.