DE3045631C2

DE3045631C2 -

Info

Publication number: DE3045631C2
Application number: DE3045631A
Authority: DE
Inventors: Kiyoto Nagasawa; Yuzi Tokio/Tokyo Jp Narumi
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1979-12-03
Filing date: 1980-12-03
Publication date: 1989-10-19
Also published as: JPS6329287B2; US4360783A; JPS5679310A; DE3045631A1

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/V_p)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

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.