DE3045631C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Regeln
der einem widerstandsbehafteten Verbraucher zugeführten
Energie nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Eine derartige Schaltungsanordnung zum Regeln der einem widerstandsbehafteten
Verbraucher zugeführten Energie ist aus
der DE-OS 24 19 946 bekannt. Diese bekannte Schaltungsanordnung
enthält eine Spannungsquelle, um eine elektrische Spannung
an einen Verbraucher anzulegen und auch eine Einrichtung
zur Feststellung der an den Verbraucher anliegenden
Spannung. Es ist ferner ein Quadrierer zur Erzeugung einer
Spannung aus der festgestellten Spannung vorhanden, die sich
im wesentlichen proportional zu dem Quadrat der festgestellten
Spannung ändert. Dem Quadrierer ist ein Integrator nachgeschaltet,
während an den Ausgang des Integrators eine Regeleinrichtung
mit einem Komparator angeschaltet ist, um die
an dem Verbraucher anliegende Spannung in der Weise zu ändern,
daß die Ausgangsspannung auf einem vorgegebenen, einem
bestimmten Energiewert entsprechenden Spannungswert gehalten
wird.
Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung wird die von
einer Wechselspannungsquelle abgeleitete Gleichspannung
in eine Rechteckimpuls-Spannung umgewandelt, wobei zur
Regelung der dem Verbraucher zugeführten Energie die
Impulsbreite der Rechteckimpulse verändert wird.
Aus der DE-OS 29 15 904 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Steuerung des effektiven Wertes eines Wechselstromes
bekannt, wobei gegen-parallel-geschaltete
Halbleiterschaltelemente zur Anwendung gelangen und der
Effektivwert des Wechselstroms dadurch gesteuert wird,
daß ein Bezugsstrom mit einem Effektivwert des tatsächlich
gemessenen Laststromes verglichen wird. Der Effektivwert
des tatsächlich gemessenen Laststromes wird mit
Hilfe eines Effektivwertdetektors erfaßt, der das Quadrat
des Augenblickswertes des Ausgangsstromes eines Stromtransformators
bildet. Ferner gelangt bei der Durchführung dieses
bekannten Verfahrens auch ein Integrierkreis zur Anwendung,
der jedoch so ausgebildet ist, daß er den quadratischen
Augenblickswert des Stromes synchron mit der Speisespannung
über einen Halbzyklus dieser Speisespannung integriert.
Aus der GB-PS 14 28 635 ist ein Quadrierer bekannt, der
durch einen einzigen Feldeffekttransistor gebildet wird.
Je nach Vorzeichen der zu quadrierenden Größe wird hierfür
ein p-Kanal-IGFET oder ein n-Kanal-IGFET verwendet.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin,
eine Schaltungsanordnung zum Regeln der einem widerstandsbehafteten
Verbraucher zugeführten Energie der angegebenen
Gattung zu schaffen, die besonders einfach aufgebaut
ist und bei der die elektrische Spannung am Verbraucher
mit hoher Genauigkeit auf einem vorgegebenen Wert gehalten
werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im
Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2
bis 5.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 und 2 Diagramme zur Erläuterung der Erfindung;
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer bevorzugten
Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung und
Fig. 4 in Form eines Ablaufdiagramms die Arbeitsweise
der Schaltungsanordnung nach Fig. 3.
Bekanntlich hängt die Lichtabgabe einer Wolframlampe sehr
stark von der Spannung ab. Wenn, wie in Fig. 1 dargestellt,
eine Wolframlampe L mit einer Wechselspannungsquelle PS verbunden
ist und angeschaltet wird, kann die Leistung P der Lampe
L ausgedrückt werden als P = , wobei E die Effektivspannung
der Wechselspannungsquelle PS und R der Widerstand der
Lampe L ist. Aus dieser Gleichung ist zu ersehen, daß sich die
Leistung P proportional zu dem Quadrat der Quellenspannung E
ändert. In der Praxis ist der Exponent 2 oder kleiner, da der
Widerstand R der Lampe L einen positiven Temperaturkoeffizienten
hat. Jedoch führt eine Schwankung in der Leistung P der
Lampe zu einer Farbtemperatur, und folglich kann sich die
spektrale Verteilung der Lampe ändern, so daß der vorerwähnte
Exponent in Abhängigkeit von dem in Betracht gezogenen Wellenlängenbereich
über 2 hinaus zunehmen kann. Wenn das in Fig. 1
dargestellte Lampenspeisesystem beispielsweise in einem Kopiergerät
verwendet wird, führt eine Schwankung der Speisespannung
um ±10% zu einer Änderung im Lichtstrom der Lampe von
etwa ±30%, was verschiedene ungünstige Erscheinungen, wie beispielsweise
eine Unregelmäßigkeit im Schwärzungsgrad von wiedergegebenen
Bildern, zur Folge hat. Folglich wird eine hohe
Konstanz bei der Lichtabgabe einer Lampe, wie sie bei verschiedenen
Anwendungen gefordert wird, im allgemeinen dadurch
erhalten, daß ein Konstanthalter zwischen eine Energiequelle
und eine Lampe geschaltet wird, um dadurch die Lampenspannung
auf einem konstanten Wert zu halten. Bei Kopiergeräten u. ä.
wird im allgemeinen gefordert, bei einer Schwankung von ±15%
der Spannungsquelle die Schwankung der Lampenspannung innerhalb
von ±5% oder kleiner zu halten.
Im allgemeinen wird zum Konstanthalten einer Lampenspannung
ein Phasensteuersystem mit einem TRIAC u. ä. verwendet, und im
allgemeinen eine der folgenden drei Einrichtungen benutzt,
(1) eine Einrichtung, welche den Mittelwert der Lampenspannung
(oder des -stroms) feststellt und diesen Mittelwert konstant
hält; (2) eine Einrichtung, welche unter Ausnutzung der Nichtlinearität
von Dioden u. ä. den ungefähren Effektivwert der
Lampenspannung feststellt und diesen konstant hält, und (3)
eine Einrichtung, welche den Effektivwert der Lampenspannung
oder des -stroms feststellt und diesen konstant hält.
Die Lichtabgabe einer Lampe hängt von den Effektivwerten der
Spannung und des Stroms ab. Mit anderen Worten, die Lichtabgabe
kann nicht konstant gehalten werden, wenn nicht der Effektivwert
der Spannung und des Stroms der Lampe konstant gehalten
werden. Bei einer sinusförmigen Welle können der Effektivwert
und der Mittelwert ausgedrückt werden als
Dieses Verhältnis ist ein konstanter Wert, solange die Wellenform
dieselbe bleibt, und folglich muß, um den Mittelwert konstant
zu halten, der Effektivwert konstant gehalten werden.
Der vorerwähnte Konstanthalter versagt jedoch, wenn eine konstante
Beziehung zwischen dem Effektivwert und dem Mittelwert
erhalten bleiben soll, wobei sich diese entsprechend der Wellenform
der Lampenspannung und des -stroms ändern kann, da
aufgrund der Verwendung eines Phasensteuersystems die Wellenform
hinsichtlich einer sinusförmigen Welle beträchtliche Verzerrungen
aufweist. Somit kann mit den Einrichtungen (1) und
(2) die erforderliche Genauigkeit nicht erhalten werden. Bei
der Einrichtung (1), bei welcher der Mittelwert der Lampenspannung
oder des -stroms festgestellt wird, schwankt die
Lichtabgabe einer Lampe um ±10% oder mehr, wenn die Quellenspannung
sich um ±10% ändert. Mit der Einrichtung (2) kann in
etwa ein genaues Äquivalent zu dem, was mit einem den Effektivwert
feststellenden System erhalten werden kann, in einem
Bereich erhalten werden, in welchem die Phasenschwankung verhältnismäßig
klein ist; jedoch kann eine ausreichende Genauigkeit
bei einem großen Phasenschwankungsbereich nicht gewährleistet
werden. Außerdem wird bei der Einrichtung (2) eine
unverhältnismäßig komplizierte Schaltungsanordnung benötigt.
Unter Zugrundelegung des den Effektivwert feststellenden Systems
kann bei der Einrichtung (3) eines von drei bekannten
Systemen verwendet werden, nämlich (a) ein System, bei welchem
eine Lampe benutzt wird; (b) ein System, bei welchem die
Wärmeerzeugung einer Lampe ausgenutzt wird, und (c) ein System,
welches die Effektivwerte durch Berechnung festsetzt.
Von diesen Systemen spricht das System (a) zu langsam an und
erfordert eine Wartung bei einem Ausfall der Lampe oder bei
deren Verschmutzung; auch das System (b) spricht zu langsam
an. Das System (c) erfordert einen komplizierten Aufbau, wodurch
dessen Kosten ansteigen, obwohl es genau arbeitet.
Gemäß der Erfindung ist daher eine Schaltungsanordnung zum Regeln der
Leistung an einem Verbraucher geschaffen, bei welcher die
Leistung trotz eines verhältnismäßig einfachen Aufbaus unter
Ausnutzung der Nichtlinearität eines Feldeffekttransistors mit
hoher Genauigkeit konstant gehalten wird. Die Erfindung wird
nunmehr anhand der Fig. 2 bis 4 beschrieben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welche
nachstehend beschrieben wird, wird unter Zugrundelegung eines
Phasensteuersystems die Spannung festgestellt. In Fig. 2 sind
die Wellenform des Stroms und der Spannung einer Wolframlampe
dargestellt. Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird die Lampenspannung
durch Verändern des in Fig. 2 dargestellten Abschaltphasenwinkels
R konstant gehalten. Bei der Wellenform in
Fig. 2 hängt das Verhältnis r des Mittelwertes zu dem Effektivwert
von dem Abschalt-Phasenwinkel R ab, und das Verhältnis
r läßt sich folgendermaßen ausdrücken:
Folglich nimmt das Verhältnis r mit dem Phasenwinkel R zu. Die
Lampenleistung P läßt sich, wie bereits ausgeführt, ausdrücken
als P=E ²/R. Jedoch kann die Lampenleistung P durch den
Mittelwert E A ausgedrückt werden, da E=E A/r ist. Folglich
hängt die Lampenleistung P von dem Verhältnis r ab und kann
folgendermaßen ausgedrückt werden:
P=E² A /r ²R. Dies bedeutet, daß die Lampenleistung P von
dem Phasenwinkel R abhängt. Folglich kann die Lampenleistung
P nicht auf einem konstanten Wert gehalten werden, wenn sich
der Phasenwinkel R ändert. Um die Lampenleistung P (d. h. die
Lichtabgabe) über einen großen Schwankungsbereich der Quellenspannung
konstant zu halten, muß der Abschalt-Phasenwinkel R
über einen großen Bereich geändert werden, und in diesem Fall
kann dann das System, das den Mittelwert E A feststellt, nicht
die notwendige Stabilität schaffen. Wie jedoch die Gleichungen
zeigen, kann die Lampenleistung P unabhängig von dem Phasenwinkel
R (oder dem Verhältnis r) konstant gehalten werden,
indem der Effektivwert E konstant gehalten wird.
Die Ausführungsform der Erfindung ist entsprechend ausgelegt,
um den Effektivwert der Spannung E der Lampe mittels eines Feldeffekttransistors
festzustellen, so daß ein genaues Konstanthalten
der Lichtabgabe erreicht wird, während gleichzeitig ein ausreichendes
Ansprechen und eine ausreichende Zuverlässigkeit
und Betriebssicherheit gewährleistet wird. In Fig. 3 ist eine
Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Spannung eines
Verbrauchers in Form einer Wolframlampe L wird mittels eines die Lampenspannung feststellenden
Transformators T festgestellt, die Spannung wird dann
mittels einer Gleichrichterschaltung REC vollweggleichgerichtet
und dann mittels Widerständen R₁ und R₂ geteilt. Die geteilte
Spannung wird an die Steuerelektrode G eines Feldeffekttransistors
FET angelegt. Der Transistor FET erhält an
seiner Quellenelektrode S eine Vorspannung V s , welche den
Senkenstrom I D im wesentlichen Null macht, wenn die Spannung
V G an der Steuerelektrode Null ist, und an seiner Senkenelektrode
D liegt über einen Widerstand R₃ eine konstante Gleichspannung
V CC an. Die Widerstände R₁ und R₂ haben solche Widerstandswerte,
daß sie die Steuerspannung V G so festlegen, daß
verhindert wird, daß der Scheitelwert der Steuerspannung V G
über die Spannung V GS zwischen der Steuer- und der Quellenelektrode
hinaus ansteigt. Bekanntlich kann der Senkenstrom
I D innerhalb eines bestimmten Bereichs so, wie nachstehend angegeben,
angenähert werden:
I D = I DSS (1 - V GS/Vp)² ,
wobei V P die Sperrspannung des Feldeffekttransistors FET und
I DSS der Senkenstrom I D ist, welcher anliegt, wenn die Spannung
V GS Null ist. Da -V p=V s und V GS=V g-V s ist, kann
der Senkenstrom I D ausgedrückt werden als:
Folglich wird die Ausgangsspannung V o des Feldeffekttransistors
FET erhalten als:
V o = V CC - I D · R₃ = V CC - KV g² R₃
wobei
ist.
Die Ausgangsspannung V o enthält folglich einen Anteil, welcher
proprotional dem Quadrat der Eingangsspannung V g des Feldeffekttransistors
ist. Wenn dieser Anteil mittels eines Integrators
INT integriert (geglättet) wird, schafft dieser Anteil
eine Gleichspannung V L, die proportional dem Quadrat der
Eingangsspannung V g ist. Diese Spannung V L kann als ein Äquivalent
des Effektivwertes der Lampenspannung betrachtet werden.
In einer Schaltung, die einen ersten Komparator A und Widerstände R₆
bis R₈ aufweist, wird die Gleichspannung V L mit einer Bezugsspannung
V R verglichen, die durch Widerstände R₄ und R₅ festgelegt
ist, und dann wird eine der Differenz entsprechende
Gleichspannung erzeugt. Diese Ausgangs-Gleichspannung wird
über Widerstände R₉ und R₁₀ zusammen mit einem von einem Sägezahngenerator
SWG erzeugten Sägezahnsignal an einen weiteren
Komparator VERGL. angekoppelt. Entsprechend einem Ausgang des Komparators
VERGL. erzeugt ein Triggerimpulsgenerator PG einen
Triggerimpuls zu dem Zeitpunkt, wenn die Ausgangsspannung des
Komparators A unter die Kippschwingung abfällt. Durch den
Triggerimpuls wird ein Thyristor oder ein TRIAC TRC angeschaltet,
so daß die Abschaltphase des Wechselstroms von der
Wechselspannungsquelle PS zu der Lampe L gesteuert wird. Wie aus
Fig. 4 zu ersehen, wird das Sägezahnsignal synchron zu dem Ausgang
der Wechselspannungsquelle PS gehalten, und der eine Phase
R erzeugende Triggerimpuls hängt von der Amplitude der Ausgangsspannung des Komparators A ab.
Nunmehr soll die Spannung an der Lampe L aus irgendeinem
Grund angestiegen sein. Proportional steigt dann auch die Eingangsspannung
V g an dem Feldeffekttransistor FET an, wodurch
dessen Ausgangsspannung V o in einem Verhältnis abnimmt, das
gleich der Zunahme des Effektivwertes der Eingangsspannung
V g ist. Dadurch wird dann auch die Ausgangsspannung V L des Integrators
INT kleiner. Der Komparator A vergleicht die Spannung
V L mit der Bezugsspannung V R , und seine Ausgangsspannung
wird entsprechend der Differenz größer. Der Ausgang des Komparators
A wird durch den Komparator VERGL. mit dem Ausgang
des Sägezahngenerators SWG verglichen. Schließlich wird die
Phase der Triggerimpulse, die von dem Triggerimpulsgenerator
PG anliegen, in einer Richtung verschoben, um die in Fig. 4
dargestellte Phase R zu vergrößern, so daß die an die Lampe L
angelegte Spannung niedriger wird. Wenn dagegen die Lampenspannung
niedriger geworden ist, wird der Abschalt-Phasenwinkel
R des TRIACS TRC verkleinert, worauf dann die Lampenspannung
ansteigt.
Somit kann die dargestellte Schaltungsanordnung entsprechend betrieben werden,
um die Spannung V L bezüglich der Bezugsspannung V R auszugleichen.
Da die Spannung V L proportional dem quadrierten Mittelwert
der Spannung V g , d. h. dem Quadrat der effektiven Lampenspannung
ist, wird der Effektivwert der Lampenspannung immer
auf einem konstanten Wert gehalten, der proportional zu
der geforderten Leistung ist. Folglich bleibt auch die Lampenleistung
unabhängig von der Wellenform konstant, so daß die
von der Lampe L abgegebene Lichtstärke konstant bleibt. Ein
weiterer Vorteil besteht darin, daß eine verhältnismäßig einfache
Schaltungsanordnung ausreicht, da der Effektivwert mit
einem einzigen Element, nämlich einem Feldeffekttransistor,
festgestellt wird. Folglich kann die dargestellte Schaltungsanordnung auch
als Dimmer oder Helligkeitseinsteller verwendet werden, da die
Lampenspannung durch Ändern der Bezugsspannung V R geändert
werden kann.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit einer Schaltungsanordnung dargestellt
und beschrieben worden ist, bei welcher der Effektivwert
der Lampenspannung festgestellt wird, kann sie auch bei
einer Schaltungsanordnung angewendet werden, bei der der Effektivwert des
Lampenstroms festgestellt wird. Bei einer derartigen Anwendung
wird eine Verarbeitung, die ähnlich der beschriebenen ist,
durchgeführt, nachdem der Lampenstrom über Widerstände u. ä. in
eine Spannung transformiert worden ist. Mit der Erfindung
kann ferner eine konstante Leistung irgendeines anderen Verbrauchers
sowie die Lampenleistung konstant gehalten werden.
Wie den vorstehenden Ausführungen zu entnehmen ist, hat gemäß
der Erfindung eine Schaltungsanordnung zum Konstanthalten eines Verbraucherstroms
ein ausgezeichnetes Ansprechverhalten, eine hohe
Zuverlässigkeit und Genauigkeit und läßt sich mit einem verhältnismäßig
einfachen Schaltungsaufbau realisieren.
Claims (6)
1. Schaltungsanordnung zum Regeln der einem widerstandsbehafteten
Verbraucher zugeführten Energie,
- a) mit einer Spannungsquelle, die eine elektrische Spannung an den Verbraucher anlegt,
- b) mit einer Einrichtung zur Feststellung der an dem Verbraucher anliegenden Spannung,
- c) mit einem Quadrierer zur Erzeugung einer Spannung aus der festgestellten Spannung, die sich im wesentlichen proportional zu dem Quadrat der festgestellten Spannung ändert,
- d) mit einem dem Quadrierer nachgeschalteten Integrator,
- e) mit einer durch die Ausgangsspannung des Integrators beaufschlagten, einen Komparator enthaltenden Regeleinrichtung zur Änderung der Spannung an dem Verbraucher in der Weise, daß die Ausgangsspannung auf einem vorgegebenen, einem bestimmten Energiewert entsprechenden Spannungswert gehalten wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
- f) die Spannungsquelle (PS) aus einer Wechselspannungsquelle besteht,
- g) der Quadrierer durch einen einzigen Feldeffekttransistor (FET) gebildet ist,
- h) die Zeitkonstante des Integrators (INT) so ausgelegt ist, daß seine Ausgangsspannung dem quadratischen Mittelwert der festgestellten Spannung entspricht,
- i) ein weiterer Komparator (VERGL.) vorgesehen ist, der als erste Eingangsgröße die Ausgangsspannung des ersten Komparators (A) und als zweite Eingangsgröße ein Sägezahnsignal eines Sägezahngenerators (SWG) empfängt und bei Gleichheit der Eingangsgrößen ein Triggersignal erzeugt, und
- j) eine durch das Triggersignal ansteuerbare Schaltereinrichtung (TRC) im Stromkreis des Verbrauchers angeordnet ist, um die Abschaltphase und/oder Anschaltphase des Wechselstroms zu steuern.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den Ausgang des
weiteren Komparators (VERGL.) und dem Steueranschluß der
Schaltereinrichtung (TRC) ein Triggerimpulsgenerator (PG)
geschaltet ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schaltereinrichtung
aus einem Triac (TRC) besteht.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher
aus einer Lampe (L) besteht.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Bezugsspannung (V R) des ersten Komparators (A) einstellbar
ist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: SCHWABE, H., DIPL.-ING. SANDMAIR, K., DIPL.-CHEM. |
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |