DE4416049A1

DE4416049A1 - Vorschaltgerät zum Betrieb einschließlich Dimmung einer elektrischen Last

Info

Publication number: DE4416049A1
Application number: DE4416049A
Authority: DE
Inventors: Boris Tsodikow
Original assignee: MEDIUM TECH GmbH
Current assignee: FRISTER, DIRK, DIPL.-ING., 13053 BERLIN, DE TOSDIK
Priority date: 1994-05-02
Filing date: 1994-05-02
Publication date: 1995-11-09
Anticipated expiration: 2014-05-03
Also published as: DE4416049B4

Description

Die Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät zum Betrieb einschließ lich Dimmung einer elektrischen Last, z. B. einer Niedervolt- Halogenlampe, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und stellt eine kompakte Stromversorgungseinheit dar.

Aus dem Bereich der Hochfrequenz-Leistungswandler sind eine Viel zahl von Vorschaltgeräten bekannt, die in der Regel nach dem Prinzip einer selbstschwingenden Halbbrückenschaltung arbeiten. Die Funktionsweise ist z. B. in der Zeitschrift "Elektronik- Jour nal" Nr. 14/92 Seite 23ff und dem Fachbuch "Schaltnetzteile" von J. Wüstehube (Expert-Verlag) Seite 34ff hinreichend beschrieben. Speziell zum Betrieb von Niedervoltlampen findet man nähere Hinweise im Buch "Elektronikschaltungen" Seite 144ff von W. Hirschmann (Siemens AG).

Diese Vorschaltgeräte sind in der Regel aus folgenden Komponenten aufgebaut:

(a) Filter zur Unterdrückung von Störungen aus dem Netz und zur Vermeidung von Störungen in das Netz;
(b) Gleichrichter verschiedenen Typs;
(c) Glättungsfilter oder keine Glättungsfilter;
(d) Einen selbstschwingenden Hochfrequenzwandler, z. B. Halbbrücke mit "n" Paaren Transistoren mit ihren passiven Vierpolen zwischen Basis und Emitter;
(e) Einen Anlaufschaltglied mit oder ohne variablen Widerstand zur Variation der Effektivspannung an der Last durch Phasen abschnittsänderung der nach der Gleichrichtung anliegenden Halbwellen;
(f) Einen Ansteuertransformator, dessen Primärwicklung vom primären Laststrom durchflossen wird und dessen Sekundär wicklung am Eingang der unter (d) genannten Vierpole liegen.

Es ist bekannt, daß die in der Praxis eingesetzten Geräte zur Variation der Spannung an der Last wie unter (e) beschrieben realisiert werden. Hierbei zeigen sich jedoch folgende Nachteile:

- Die in den regelbaren Widerständen enthaltenen Schleifkontakte weisen eine begrenzte Zuverlässigkeit und Standzeit auf.
- Die Anschlüsse des regelbaren Widerstandes sind elektrisch mit dem Hochspannungsteil des Vorschaltgerätes verbunden, wodurch sich ein hoher Isolationsaufwand für den Ausschluß von Ge fährdungen notwendig macht.
- Die Variation der Effektivspannung an der Last ist prinzipbe dingt nur im Bereich von 50% bis 100% der nominalen Effektiv ausgangsspannung möglich.
- Dieses Funktionsprinzip ist nur auf eine Speisung mit Wechsel spannung beschränkt.

Es sind ebenfalls Vorschaltgeräte bekannt, deren Prinzip der Dimmung auf der Einflußnahme durch ein äußeres magnetisches Feld von mindestens 0,3 mT beruht, siehe dazu Offenlegungsschrift Nr.: DE 43 18 996 A1.

Hierbei zeigen sich jedoch folgende Nachteile:

- Zur Gewährleistung einer symmetrischen Spannung an der Last müssen die zur Ansteuerung der Wandlertransistoren eingesetzten Vierpole in ihren elektrischen Parametern identisch sein. Dies betrifft ebenso die statischen und dynamischen Parameter der Wandlertransistoren und der im Arm des Gegentaktwandlers einge schalteten Kondensatoren. Insgesamt ergibt sich dadurch ein hoher Selektionsaufwand.
- Die bei diesem Dimmungsprinzip auftretende Erhöhung der Wandlerfrequenz bei Verringerung der Spannung an der Last ver ursacht ebenfalls frequenzproportional steigende Umschaltver luste in den Wandlertransistoren sowie im Lasttransformator.
- Dieses Dimmungsprinzip setzt eine möglichst vollständige Vor magnetisierung des gesamten Volumens des Ansteuertrans formators voraus, wofür relativ große magnetische Feldstärken benötigt werden.
- Die bei elektrischen Verbrauchern wie diesem Vorschaltgerät an zustrebende Verringerung der Netzbelastung durch Blindkompo nenten erfordert eine möglichst ideale magnetische Kopplung der Primär- und Sekundärwicklung des Lasttransformators. Die daraus im gleichen Maße resultierende Rechteck- Form der Ausgangs spannung ist mit dem Prinzip der bekannten magnetischen Dim mung in ihrem Effektivwert an der Last nicht variierbar.
- Die bei dem Prinzip der bekannten magnetischen Dimmung auf tretende Variation der Wandlerfrequenz erfordert zur Einhaltung vorgegebener Störspannungsparameter relativ aufwendige Entstör filter.

Um die genannten Nachteile und Einschränkungen bei Beibehaltung des Prinzips der magnetischen Dimmung auszuschließen, wird die Anordnung des Ansteuertransformators (28) wie in Patentanspruch 1 beschrieben geändert. Bei der Vormagnetisierung nur einer Hälfte des Ansteuertransformators und damit der Beeinflussung der Ein schaltdauer nur eines Transistors, wird eine Änderung der Aus gangsspannung an der Last bei gleichbleibender Wandlerfrequenz erreicht.

Die zur vollständigen Vormagnetisierung nur einer Hälfte (halbes Volumen) des Ansteuertransformators benötigte magnetische Feld stärke ist gegenüber dem bekannten Prinzip der magnetischen Dim mung geringer bzw. es ist bei konstruktiv gleichen Bedingungen der elektrischen Isolation zwischen dem Aktuator der magnetischen Feldstärke und dem Kern des Ansteuertransformators ein größerer Variationsbereich der Ausgangsspannung realisierbar.

Das Vorschaltgerät entsprechend erfindungsgemäßen Anspruchs ist anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels näher veran schaulicht.

In Fig. 1a ist das Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Niedervolt- Halogenlampe, wobei der Ansteuer transformator (28) aus zwei Einloch-Ferritkernen aufgebaut ist. Fig. 1b zeigt das Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Niedervolt-Halogenlampe mit einem Ansteuertrans formator (28), der mittels eines Doppelloch-Ferritkernes aufge baut ist.

Fig. 2a zeigt den Aufbau des Ansteuertransformators (28) in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1a.

In Fig. 2b ist der Aufbau des Ansteuertransformators (28) gemäß Schaltungsanordnung in Fig. 1b dargestellt.

In Fig. 3a sind die räumliche Lage des mit Einloch-Kernen aufge bauten Ansteuertransformators (28) zum externen Aktuator (32) eines magnetischen Gleichfeldes (im Beispiel ein Permanentmagnet) und die grundsätzlichen Bewegungsachsen (I, II, III) des Aktuators (32) zur Variation der magnetischen Beeinflussung des Ansteuer transformators (28) dargestellt.

Fig. 3b entspricht der Darstellung von Fig. 2b, nur das der An steuertransformator (28) hier mit einem Doppellochkern aufgebaut wurde.

Fig. 4a-d zeigt unter der Voraussetzung eines idealen Ver haltens der eingesetzten Bauelemente und dem Aufbau des An steuertransformators (28) nach Fig. 2a den Verlauf der Ausgangs spannung U als Funktion der Zeit bei unterschiedlicher Auf teilung der Spannung an den Kondensatoren (25) und (26) als Para meter und in quantitativer Darstellung im Beispiel bei 30°, bzw. 150° und 90° Phasenwinkel.

Zur besseren Veranschaulichung des Schaltungsprinzips wurde auf eine nähere Kennzeichnung der Ein- und Ausgangsklemmen sowie der Schutzelemente (Sicherung, Überspannungsschutz) verzichtet. Aus führliche Darstellungen dazu sind aus der Literatur bekannt.

Die Punktkennzeichnung an den Wicklungen (9; 10; 29 und 30) be zeichnet den Wicklungsanfang.

Parallel zu den Eingangsklemmen der Gleich- oder Wechsel spannungsspeisung ist ein Filterblock (1) angeordnet, dessen Ausgang auf den Graetzgleichrichter (2) führt. Der Gleich spannungsausgang des Gleichrichters (2) wird über den Filter block (3) an das Anlaufschaltglied (4) sowie an die zwei Arme der Halbbrücke, bestehend aus den Transistoren (16; 17) mit den dazu parallelen Rückstromdioden (18; 19) und den in Reihe geschalteten Kondensatoren (25; 26) geführt. Die Primärwicklung (29; 30) des Ansteuertransformators (28) liegt ist zwischen dem Verbindungs punkt (24) der Kondensatoren (25; 26) und einem Anschluß des Kondensators (27). Der andere Anschluß des Kondensators (27) ist mit dem Minuspol des Wandlers (31) verbunden.

Das Anlaufschaltglied (4) besteht aus den in Reihe liegenden Widerstand (5) und Kondensator (8), sowie den am gemeinsamen Ver bindungspunkt angeschlossenen Diac (7) und der Anode von Diode (6). Zwischen dem Verbindungspunkt (15) der Tran sistoren (16; 17) und dem Verbindungspunkt (24) der Konden satoren (25; 26) ist die Primärwicklung (23) des Lasttrans formators (22) geschaltet. An die Sekundärwicklung (21) des Last transformators (22) ist über die Ausgangsklemmen die elektrische Last, z. B. eine oder mehrere Niedervolt-Halogenlampen (20) ange schlossen.

Die Sekundärwicklungen (9; 10) des Ansteuertransformators (28) sind als Quelle der passiven Vierpole (11; 12) geschaltet. Die Ausgänge der Vierpole (11; 12) sind jeweils mit der Basis und dem Emitter der Transistoren (16; 17) verbunden. Die Kathode der Diode (6) führt auf den Verbindungspunkt (15) der Tran sistoren (16; 17). Die zweite Anode vom Diac (7) ist mit der Basis vom Transistor (17) verbunden.

Die Anordnung der Einloch-Ferritkerne des Ansteuertrans formators (28) im Aufbau nach Fig. 2a ist so gewählt, daß die Lochachse des sich unter der Abdeckhaube befindlichen Einloch- Kernes orthogonal zur Nord-Süd-Achse des externen Gleichmagnet feldes verläuft.

Bei einem Aufbau des Ansteuertransformators (28) nach Fig. 2b be zieht sich genannte Achsenzuordnung auf die Trennebene parallel zur Lochachse des Doppellochkernes.

In Fig. 3 wird zur Realisierung des erfindungsgemäßen Steuer prinzips die quantifizierbare Einflußnahme eines externen Gleich magnetfeldes, ausgehend von einem Aktuator (32), z. B. einem Per magneten, auf den Kern (28.1) des unter der Gehäuseschale (33) be findlichen Ansteuertransformators (28) dargestellt. Die Änderung der wirksamen Feldstärke auf den Kern (28.1) des Ansteuertrans formators (28) erfolgt in der Darstellung durch Abstandsänderung zwischen dem Kern (28.1) des Ansteuertransformators (28) und dem Aktuator (32) unter Beibehaltung der Achsenzuordnung gemäß Fig. 2a bzw. Fig. 2b. Die grundsätzlichen Bewegungsachsen des Aktuators (32) sind mit Pfeilen (1; 2; 3) gekennzeichnet,
Fig. 4a zeigt über eine Periode den Spannungsverlauf an den Kondensatoren (25 und gestrichelt 26 + 27) mit der Unsymmetrie der Spannungsverteilung als Parameter.

In Fig. 4b-d ist das jeweils zugehörige Integral der Spannung über die Zeit an den Kondensatoren (25 und 26 + 27) unter der Voraus setzung eines idealen Bauelementeverhaltens dargestellt.

Die verwendeten Schaltungselemente für ein Vorschaltgerät zum Be trieb einer 100 W Niedervolt-Halogenlampe mit einer Nennspannung von 12 V sind in nachfolgender Tabelle zusammengestellt.

1: Drossel, Kern E 13/4; Werkstoff N27; 1,4 . . . 1,7 mH; parallel zum Ausgang des Blockes
1 Stück Kondensator PMKT-330; 10 nF; geeignet bis 250 V Wechselspannung
2: 4 Stück Dioden, Typ 1N4005
3: Drossel, Kern E 13/4; Werkstoff N27; 0,6 mH
Parallel zum Eingang und Ausgang des Blockes je 1 Stück MKT-Kondensator; 330 nF; geeignet bis 400 V- Gleichspannung sowie parallel zur Drossel
1 Stück Kondensator, Typ BF 01-07; 6,8 nF; geeignet bis 63 V-
5: Widerstand 330 kOhm; 500 mW
6: Diode SRP 100j
7: Diac BR 100-03
8: Kondensator BF 01-07; 10 nF; geeignet bis 63 V-
13/14: Ferritröhrchen; Länge 8 mm;Durchmesser 3,5 mm; Werkstoff N22
16/17: Transistor BUL 45
18/19: Diode SRP 100j
20: Niedervolt- Halogenlampe 12 V/105 VA
22: Leistungstransformator, Kern U 25/13; Werkstoff Mf 198
Wicklung 21: 6 Windungen
Wicklung 23: 55 Windungen
25: Kondensator MKP-10; 47 nF; geeignet bis 400 V-
26/27: Kondensator MKP-10; 22 nF; geeignet bis 400 V-
28: Ansteuertransformator, Doppellochkern 8,3 × 14,3(mm);
Werkstoff N 30
Wicklung 29/30: je eine Windung
Wicklung 9/10: je eine Windung
32: Permanentmagnet, zylindrisch 12,5 × 8(mm);
Werkstoff Maniperm 860

Wie bekannt wird die Einschaltdauer der Wandlertransistoren ohne Einfluß eines externen Gleichmagnetfeldes nach der Formel

U(V) : Spannung an Wicklung 9 bzw. 10
B(T) : Sättigungsinduktion des Kerns 28.1 oder 28.2 oder der Hälfte des Doppellochkernes 28
A(cm): Querschnittsfläche des Kerns 28.1 oder 28.2 oder der Hälfte des Doppellochkernes 28
N : Windungszahl der Wicklung 9 bzw. 10

bestimmt.

Der Einfluß der Vormagnetisierung des Ansteuertransformators durch ein externes Gleichmagnetfeld (z. B. durch einen Permanent magneten (32)), welches auf einen der beiden Einlochkerne (28.1 oder 28.2), bzw. auf eine Hälfte des Doppellochkernes (28) vom Ansteuertransformator beschränkt bleibt, ist in seiner Wirkung gleichzusetzen mit einer Verkleinerung der Fläche A oder der Sättigungsinduktion B und daraus folgend einer kleiner werdenden Einschaltdauer des betreffenden Wandlertransistors (16 oder 17). Die damit unterschiedliche Einschaltdauer der Wandlertran sistoren (16; 17) bedeutet für die Kondensatoren (25 und 26+27) unterschiedliche Lade- und Entladezeiten, die zu einer gegen läufigen Unsymmetrie der Spannungsverteilung über die genannten Kondensatoren führt, wobei aber jeweils das Spannungsintegral über die Zeit am Kondensator (25) und Kondensator (26+27) im Be trag stets gleich bleibt, d. h. eine geringere Einschaltdauer des Wandlertransistors (16) gegenüber dem Wandlertransistor (17) auf grund einer Vormagnetisierung des Ansteuertransformators (28.1) durch die Einwirkung eines externen Gleichmagnetfeldes, führt zu einer Änderung der Spannungsverteilung über den Kondensatoren (25 und 26+27) in Richtung einer höheren Spannung über dem Kon densator (25). Die Schaltzeit- und Spannungsverhältnisse kehren sich bei der Vormagnetisierung des Ansteuertransformators (28.2) um.

Der Differenzspannungsbetrag zur symmetrischen Spannungsver teilung (siehe Fig. 4a) kann als Gleichspannungskomponente mit 100 Hz Welligkeit nicht über den Lasttransformator (22) auf die Sekundärwicklung (21) transformiert werden, sondern es steht nur wie aus Fig. 4b-d erkennbar, eine geringere Effektivspannung als bei Symmetrie zur Transformation an die angeschlossene elektrische Last (20) zur Verfügung, d. h. es verkleinert sich mit zunehmender Vormagnetisierung des Ansteuertransformators eines Wandlertransistors die Effektivspannung an der Last. Bei voll ständiger Vormagnetisierung eines Kernes des Ansteuertransfor mators (28.1 oder 28.2) wird der Wert der Effektiv-Ausgangs spannung, nur noch bestimmt vom Restwert der Überlagerungs permeabilität des Kernmaterials, nahe Null sein.

Weiterhin ist aus Fig. 4a-d ersichtlich, daß bei der Vormag netisierung nur eines Kernes (28.1 oder 28.2) des Ansteuertrans formators (d. h. dem Ausschluß der auch nur teilweisen oder ge ringeren Vormagnetisierung des zweiten Kernes, bzw. Kernhälfte bei Verwendung eines Doppellochkernes) die Wandlerfrequenz nicht beeinflußt wird. Abweichungen von dieser idealen Voraussetzung ergeben mehr oder weniger zusätzlich eine Änderung der Wandler frequenz und eine Verminderung der Spannungsdifferenz an den Kondensatoren.

Gegenüber dem Betrieb des Lasttransformators (22) mit sym metrischer Ansteuerung (ohne Vormagnetisierung einer Hälfte des Ansteuertransformators), ergibt sich bei unsymmetrischer An steuerung (bei Vormagnetisierung einer Hälfte des Ansteuertrans formators) auch im Extremfall der Unsymmetrie kein höherer Strom durch den Lasttransformator (22) und damit keine Veränderung der Eckpunkte des Arbeitsbereiches im B= f(H)-Kennlinienfeld des Kernmaterials, d. h. keine Notwendigkeit, ein Kernmaterial mit höherer Sättigungsinduktion einsetzen zu müssen, bzw. den Last transformator umzudimensionieren.

Claims

1. Vorschaltgerät zum Betrieb einschließlich Dimmung einer elektrischen Last, z. B. einer Niedervolt- Halogenlampe (20) mit einem herabsetzenden Leistungstransformator (22) an einem Gleich- oder Wechselspannungsnetz mit einem Entstörfilter (1), einem Gleichrichter (2), einem oder keinem Glättungsfilter (3), einem hochfrequenten Gegentaktwandler (31) mit "n" Paaren von Leistungstransistoren (16; 17) mit ihren passiven Vierpolen (11; 12) zwischen Basen und Emittern, einem oder zwei Kondensatoren (25; 26, 27), einem Anlaufschaltglied (4) und einem Ansteuertrans formator (28), dadurch gekennzeichnet, daß der Ansteuertransformator (28) einen Doppellochkern ohne Luftspalt oder zwei Einloch-Kerne ohne Luft spalt besitzt, dabei befindet sich die Primärwicklung (29; 30) in beiden Löchern (28.1; 28.2) des Doppellochkernes oder Einloch-Kernes und die Sekundärwicklungen (9; 10) befinden sich jeweils in einem der zwei Löcher des Doppellochkernes, bzw. auf je einem Einloch-Kern, wobei die Richtung des Stromgradienten der Primär wicklung (29; 30) in den beiden Löchern des Ansteuertransfor mators (28) unabhängig von der Bauform gleich ist und durch Vor magnetisierung, z. B. durch ein externes Gleichmagnetfeld, eines Einloch-Kernes (28.1 oder 28.2), bzw. einer Hälfte des Doppelloch-Kernes eine Veränderung des Effektivspannungswertes (Dimmung) an der elektrischen Last erreicht wird.

2. Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltzeit der Transistoren (16, 17) des Wandlers (31) durch die externe Vormagnetisierung eines Einloch- Kernes (28.1 oder 28.2) oder einer Hälfte des Doppellochkernes des Ansteuertransformators (28) beeinflußt wird, ohne daß sich dabei die Wandlerfrequenz f ändert.

3. Vorschaltgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle elektronischen Komponenten in einem gemeinsamen Gehäuse an geordnet sind, dabei ist der Ansteuertransformator (28) unter der unmagnetischen Abdeckung (33) so angeordnet, daß der Doppelloch kern oder einer der Einloch-Kerne (28.1; 28.2) sich unmittelbar unter der Abdeckung (33) befinden, wobei die Achsen der Löcher des Doppellochkernes oder des Loches des Einloch-Kernes parallel zur Ebene der Abdeckung verlaufen und bei Verwendung eines Doppellochkernes zusätzlich dessen Querachse (Aq) orthogonal zur Ebene der Abdeckung angeordnet wird.

4. Vorschaltgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Windungszahlverhältnis des Ansteuertransformators bzw. das Verhältnis zwischen Kollektor- und Basisstrom der Leistungstran sistoren (16; 17), durch das Verhältnis der Werte oder der Zahl der geteilten parallel geschalteten Komponenten gleichen Typs des Gegentaktwandlers (31), z. B. der Zahl der Primärwicklungen des Leistungstransformators oder dem Verhältnis der Kapazitätswerte bei Verwendung von zwei Kondensatoren (26, 27) in einem Arm des Gegentaktwandlers (31), oder der Zahl der Paare der parallel ge schalteten Leistungstransistoren bestimmt wird, wobei die Primär wicklung (29, 30) des Ansteuertransformators (28) in Serie mit einer der genannten Komponenten (27) geschaltet wird.