DE4441733C2 - Helligkeitssteuerung zum Dimmen konventionell gewickelter Transformatoren mit sekundärseitigen Niedervolthalogenlampen und/oder Glühlampen nach dem Phasenanschnittprinzip - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Helligkeitssteuerung für kon­ ventionell gewickelte Transformatoren mit sekundärseitigen Niedervolthalogenlampen und Glühlampen nach dem Phasenan­ schnittprinzip gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur stufenlosen Steuerung von konventionell gewickelten Transformatoren nach dem Phasenanschnittprinzip sind prin­ zipiell Schaltungen bekannt, die üblicherweise im Haupt­ stromkreis ein Halbleiterschaltelement, zum Beispiel in Form eines Triac, aufweisen. Diese Schaltungen müssen zwangs­ läufig mit einer Schmelzsicherung ausgerüstet sein, die im Kurzschlußfall ersetzt werden muß. Ferner sind Schaltungen bekannt, die nach Erkennen des Stromnulldurchgangs einen Zündzeitpunkt ermitteln und, entsprechend dem eingestell­ ten Phasenwinkel, einen angeschlossenen Triac zünden. Diese Schaltungsanordnungen können jedoch auftretende Rundsteuer­ impulse im Netz nur unzureichend negieren.

Aus der DE 38 36 128 A1 ist bekannt, daß im Hauptstromkreis in Reihe mit einer Last eine MOS-FET- oder IGBT-Endstufe liegt, die im Gegensatz zur Triacendstufe jederzeit durch Anlegen der geeigneten Steuerspannung am Gate in der Sinus­ halbwelle abgeschaltet werden kann. Hierbei wird diese Art der Abschaltung bei Kurzschluß durch Abfühlen der Spannung über einen Strommeßwiderstand genutzt. Ferner ist die Verwendung einer MOS-FET bzw. IGBT-Endstufe bekannt, die nach dem Phasenanschnittprinzip arbeitet. Hierbei wird die Endstufe so angesteuert, daß gemäß des eingestellten Phasenwinkels ein Zündimpuls erzeugt wird, der die Endstufe in den leitenden Zustand versetzt und so den Stromfluß durch die Last gewährleistet. Nun tritt eine Selbsthaltung der Ansteuerung in Kraft, die diesen leitenden Zustand aufrechterhält. Läuft der Strom durch die Last durch Null, wird dieses durch eine andere Schaltungsanordnung detektiert, die ihrerseits nun die Endstufe wieder ausschaltet. Dies entspricht im Schaltverhalten der Funktion eines Triac. Zum Schutz der Endstufe ist dies erforderlich, da beim Abschalten des Stromes außerhalb des Stromnulldurchgangs im angeschlossenen induktiven Verbraucher (konventionell gewickelter Transformator) eine Gegenspannung erzeugt würde, die beim kontinuierlichen Auftreten zur Zerstörung der Endstufe führen könnte. Tritt aber außerhalb des normalen Betriebes ein stark überhöhter Strom oder ein Kurzschluß auf, ist man sofort in der Lage, die Endstufe abzuschalten und sie so zu schützen. Hierbei ist aber erforderlich, bei mehrmaligem Auftreten dieses Überstromes, eine dauerhafte Abschaltung durchzuführen, da sonst die Endstufe durch die auftretende Überspannung des induktiven Verbrauchers zerstört werden könnte.

Darüber hinaus ist aus der DD 234 326 A1 ein Vorschaltgerät mit automatischer Abschaltung zum Betrieb einer Niedervoltglühlampe bekannt. Dieser Stand der Technik beschreibt ein Verfahren, wie man aus Platzgründen eine Niedervolthalogenlampe durch Ansteuerung mit einer hochfrequenten Schwingungsform mit Hilfe eines kleineren Übertragers betreiben kann, ohne auf konventionell gewickelte Transformatoren für 50 Hz zurückgreifen zu müssen.

Desweiteren wird in der DE 41 17 122 A1 eine Schaltung zur Steuerung eines Wechselstroms beschrieben. Hierbei handelt es sich um die Steuerung einer Last mit Hilfe von zwei Transistoren in Brückenschaltung, bei der es auch möglich ist, einen Überstrom oder Kurzschluß zu erkennen und diesen abzuschalten.

Aus der Literaturstelle Fischer, Klaus: Keine Last mit induktiver Last: Dimmer IC SLB 0587 steuert Niedervolt-Halogenlampen über Netztrafo. In: Components 31, 1993, H. 1, S. 23-26 ist ein integrierter Schaltkreis bekannt, der auch für die Steuerung konventionell gewickelter Transformatoren mit sekundärseitigen Niedervolthalogenlampen nach dem Phasenanschnittprinzip dient. Dieser IC ist im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung für ein 2-Drahtgerät konzipiert, daß Rundsteuereinflüsse mit Hilfe einer PLL (Phase locked Loop-Technik) zu negieren versucht, womit bei weitem nicht so gute Ergebnisse zu erreichen sind. Weiterhin versucht man bei diesem IC durch Doppelzündungen des Leistungsschalters und durch Kontrolle jeden Stromnulldurchgangs Gleichstromanteile im Laststrom zu negieren. Gelingt dies nicht, wird der Leistungsschalter bleibend abgeschaltet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Schaltungsanordnung in der Weise zu konzipieren, daß konventionell gewickelte Transformatoren und Glühlampen stufenlos so gesteuert werden können, daß beim Auftreten eines Kurzschlusses der Last die Anordnung nicht zerstört wird und sich so selbst schützt, ohne eine Schmelzsicherung wechseln zu müssen.

Weiterhin muß der problemlose Betrieb von induktiven Lasten, das heißt von zum Beispiel nicht aus­ gelasteten Transformatoren jeglicher Art bis hin zum Leer­ lauf und von Mischlasten von Glühlampen und konventionell gewickelten Transformatoren, gewährleistet sein. Desweiteren sollen Rundsteuerimpulse negiert werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Helligkeitssteuerung der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Mittel gelöst.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruchs 2.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand der Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Helligkeits­ steuerung;

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild zur Verhinderung der Unsymmetrien der Helligkeitssteuerung.

Ein grundlegendes Problem beim Dimmen von Transformatoren ist das Entstehen von Gleichspannungsanteilen. Dies kann zur Zerstörung des Transformators und der Dimmeinrichtung führen. Gleichspannungsanteile können auf verschiedene Arten entstehen:

• a) Beim Einschalten ergibt sich in Abhängigkeit vom Ein­ schaltpunkt innerhalb der Netzhalbwelle ein mehr oder weniger hoher Gleichstrom, der mit der durch den Trans­ formator bestimmten Zeitkonstanten abklingt und dem sich der Wechselstrom überlagert. Zum Beispiel beträgt die Zeitkonstante für einen Transformator 500 VA rund 13 Perioden, das heißt circa 0,27 Sekunden.
• b) Ist in einem Transformator im ausgeschalteten Zustand ein hoher Restmagnetismus vorhanden, so führt das Einschalten zur Sättigung der Magnetisierungskurve (unsymmetrisch).
• c) Wird bei einem Transformator zum Zeitpunkt der maximalen Induktion die Sekundärlast abgeschaltet, so kann dies zu einem bleibenden Gleichstromanteil führen (Ausfall der Halogenlampe).

Die Erfindung erkennt diesen Gleichstromanteil, wie in Fig. 1 zu erkennen ist, durch eine Mittelwertbildung der Endstufenspannung 4 (Kombination R1, C1) und nutzt diese als Regelspannung für den nachfolgenden regelbaren Fenster­ komparator 2, der damit seine Fenstermitte bestimmt. Ferner wird diesem Fensterkomparator das gefilterte und 180° ge­ drehte Netzsignal aus Filter 1 zugeführt. Durchläuft das Netzsignal das Komparatorfenster, so wird der Kondensator C2 zurückgesetzt. Dadurch wird eine Rampenspannung erzeugt. Dieses Signal wird einem weiteren Komparator OP2 zugeführt. Schneidet die Rampenspannung einen dem eingestellten Dimm­ winkel proportionalen Gleichspannungswert, wird ein Zünd­ impuls erzeugt. Tritt nun aufgrund der angeführten Erschei­ nungen zum Beispiel eine positive Regelspannung auf, wird die Schwelle des Fensterkomparators 2 in positiver Richtung verschoben. Da nun das Netzsignal im dreistufigen Filter 1 um 180° gedreht ist, wird die Rampe in der negativen Halb­ welle später zurückgesetzt und damit auch später der Zünd­ impuls erzeugt. Damit wird der Stromfluß in der negativen Halbwelle kürzer und so der positive Gleichstromanteil aus­ geregelt. Versuche mit herkömmlichen Dimmern und Einsatz dieser Schaltungsanordnung haben gezeigt, daß dauernde Sättigungsspitzen nach Entfernen der Last bis zu 20 A durch die Unsymmetriekorrektur auf 0,4 A heruntergeregelt werden.

Aufgabengemäß bleibt die Forderung, Rundsteuersignale zu negieren. Dies wird in dem bereits angesprochenen Filter 1 in der Unsymmetrieregelung realisiert.

Die Unterdrückung von Rundsteuerimpulsen in Phasenanschnitt­ dimmern ist ein sehr lange diskutiertes Problem. Es wird durch das EVU dem Netz der 50 Hz-Grundwelle ein höherfre­ quentes Signal überlagert. Dadurch kommt es zu Verschiebun­ gen der Nullpunkte der Netzspannungshalbwellen. Da der Zünd­ winkel aus diesen Nullpunkten hergeleitet wird, schwankt dieser ebenfalls, was sich durch Schwankungen der Beleuch­ tungsstärke des Leuchtmittels bemerkbar macht. Nimmt man die Ansteuerung im Zweidrahtbetrieb (Reihenschaltung Phase-Dimmer-Last-Null) zwischen Dimmer und Last ab, so lassen sich durch eine Siebung Verbesserungen erzielen, sie haben aber ihre Grenze durch noch zu vertragende Zeit­ konstanten der Siebung. Ein geglücktes Beispiel zeigt der herkömmliche sogenannte Drehdimmer mit seinem sich ändernden Siebfaktor in Abhängigkeit zum Stromflußwinkel. Helligkeits­ schwankungen durch Rundsteuerimpulse machen sich für das menschliche Auge vor allem im abgedimmten Zustand bemerk­ bar. Da der Drehdimmer hier aber seinen größten Siebfaktor aufweist, dämpft er die Rundsteuereinflüsse zu diesem Zeit­ punkt am stärksten. Bei vollelektronischen Dimmern, soge­ nannten Tastdimmern, kann diese Siebkette nur fest einge­ stellt sein und sich nach der maximalen Helligkeit richten, und so nur einen kleinen Siebfaktor aufweisen, was sich un­ günstig auswirkt auf die Dämpfung von Rundsteuerimpulsen. Aus diesem Grund ist bei Rundsteuerimpulsen eine Nullpunkt­ erkennung zur Festsetzung des Zündwinkels durch Erfassen der Spannung zwischen Phase und Null vorteilhaft, wodurch sich Ergebnisse erzielen lassen, die die des mechanisch einstell­ baren Dimmers übertreffen. Da bei dieser Anordnung die Zeit­ konstanten und damit die Phasenverschiebung durch die Sieb­ kette unabhängig vom Stromflußwinkel bleiben, ist es mög­ lich, eine sehr hohe Siebung mit einer Phasenverschiebung von 180° gegenüber den Nullstellen der Netzspannung zu wäh­ len. Mit zum Beispiel dreistufigen RC-Gliedern im Filter 1 werden Einflüsse durch Rundsteuerimpulse sehr stark verrin­ gert und für das menschliche Auge durch Helligkeitsschwan­ kungen des Lichtes fast kaum erkennbar.

Ein weiterer neuer Schaltungsgedanke wird aber trotz dieser Regelung erforderlich (Fig. 2): Steuert man eine induktive Last (zum Beispiel einen leerlaufenden Transformator), ent­ steht eine Phasenverschiebung von bis zu 90°. Da der Zünd­ impuls aber immer von N auf L bezogen ist und so keine Phasenverschiebung aufweist, kann man nur Phasenwinkel von 90° bis 180° einstellen. Jeder Phasenwinkel < 90° hat einen Stromfluß von 180° zur Folge. Da man von 0° bis 90° keinen anderen Stromflußwinkel als 180° erreichen kann, muß man dafür Sorge tragen, daß Phasenwinkel in diesem Bereich auf Dauerstromfluß umgeschaltet werden. Dies läßt sich wie in Fig. 2 erreichen. Ue1 ist das High-Signal, das beim Schnei­ den des Mittelwertes durch die Rampenspannung beginnt und mit dem Entladeimpuls endet. Ue2 ist ein High-Impuls, der aus der Beendigung des Stromflusses über die Endstufe 4 gewonnen wird. Über C3, R4 wird die Spannung Ue1 differen­ ziert. Am Eingang des OP1 sind nun zwei Spannungskriterien zu unterscheiden. Während einer zu wählenden Zeit ist bei einem positiven C3-Impuls die Spannung an R5 so hoch, daß Ue2 nicht in der Lage ist, den Ausgang von OP1 auf Low zu setzen. Nach dieser Zeit kann die Selbsthaltung des OP1 über R7 und R5 jederzeit durch einen Impuls Ue2 zurückge­ setzt werden. Die Zeit für die "Zwangshaltung" wird sinn­ vollerweise mit 0,5 Halbwelle, also 5 ms, gewählt.

Claims (2)

1. Helligkeitssteuerung für konventionell gewickelte Trans­ formatoren mit sekundärseitigen Niedervolthalogenlampen und/oder Glühlampen mit einer in Reihe zur Last liegen­ den MOS-FET- oder IGBT-Endstufe, die nach dem Phasen­ anschnittprinzip so arbeitet, daß im normalen Betrieb im Stromnulldurchgang der Last die Endstufe abgeschaltet wird, jedoch, daß bei Auftreten eines überhöhten Stroms oder Kurzschlusses die Endstufe abschaltbar ist und sich somit selbst schützt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen N- und L-Leiter ein mehrstufiges Filter (1) geschaltet ist, um die Rundsteuereinflüsse im Netz zu negieren, und darüber hinaus durch eine Regelschaltung, bestehend aus einem Siebglied (R1, C1), einem mehr­ stufigen Filter (1) und einem Fensterdiskriminator (2), in der Lage ist, Gleichstromanteile im Laststrom, her­ vorgerufen durch die magnetischen Eigenschaften der Last oder aber durch die Steuerschaltung selbst, durch geeig­ nete Verschiebung des Zündwinkels zu negieren (Fig. 1).

2. Helligkeitssteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei unzulässig hohen Phasenverschiebungen im Fehlerfall durch leerlaufende Transformatoren der Phasenanschnitt in der Art verlängert wird, daß die End­ stufe für die gesamte Zeit durchgesteuert ist und so Unsymmetrien verhindert werden (Fig. 2).