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DE4126544A1 - Stabilisierender elektronischer halbwellenconverter fuer ohmsche verbraucher mit diskreter oder breitbandiger hochfrequenter energieuebertragung - Google Patents

Stabilisierender elektronischer halbwellenconverter fuer ohmsche verbraucher mit diskreter oder breitbandiger hochfrequenter energieuebertragung

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DE4126544A1
DE4126544A1 DE4126544A DE4126544A DE4126544A1 DE 4126544 A1 DE4126544 A1 DE 4126544A1 DE 4126544 A DE4126544 A DE 4126544A DE 4126544 A DE4126544 A DE 4126544A DE 4126544 A1 DE4126544 A1 DE 4126544A1
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DE
Germany
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voltage
wave
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wave converter
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DE4126544A
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Gerhard Rank
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DRESDEN MESSELEKTRONIK GmbH
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DRESDEN MESSELEKTRONIK GmbH
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Publication date
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    • H05B39/00—Circuit arrangements or apparatus for operating incandescent light sources
    • H05B39/04—Controlling
    • H05B39/041—Controlling the light-intensity of the source
    • H05B39/044—Controlling the light-intensity of the source continuously
    • H05B39/045—Controlling the light-intensity of the source continuously with high-frequency bridge converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
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    • H02M3/24—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/28—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC
    • H02M3/325—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/337—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in push-pull configuration
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  • Power Engineering (AREA)
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Description

Stabilisierender elektronischer Halbwellenconverter für ohmsche Verbraucher mit diskreter oder breitbandiger hochfrequenter Energieübertragung.
Der "Elektronische Halbwellenconverter" gemäß Erfindung soll vorzugsweise zur Speisung von Niederspannungsnetzen der Beleuchtungstechnik, vor allem mit dem Leuchtmittel "Halogenlampe" dienen, wobei die Energie normalerweise aus dem 230 Vac-Netz bzw. aus einem 220 Vdc-Notstromnetz entnommen wird. Die Speisung anderer Niederspannungs-Leuchtmittel oder Niederspannungs-Heizeinrichtungen ist denkbar.
Die bekannten technischen Lösungen zur Speisung von Niederspannungsnetzen der Beleuchtungstechnik lassen sich in zwei Gruppen einteilen:
So erfolgt die Speisung mittels eines Transformators in konventioneller Bauart. Seine Ausgangsspannung beträgt 6, 12 oder 24 V/50 Hz, meist in SELV.
Nachteilig ist, daß Netzinstabilitäten 1 : 1 durchgereicht werden. Die angestrebt hohe übertragbare Leistung und der erwünschte kleine Innenwiderstand (Belastungsunabhängigkeit) erfordern ein großes Volumen und ein hohes Gewicht. Außerdem ist er nur bedingt dimmbar. Ein derartiger Transformator wurde im Prospekt der Firmen HAGENAUER ELECTRONIK GmbH, Brilon, MAY & CHRISTE GmbH, Oberursel und TRIDONIC GmbH & Co, Weißenhorn beschrieben.
Eine weitere Möglichkeit ist, die Speisung mittels eines "Elektronischen Konverters" durchzuführen. Es handelt sich dabei um einen Sperr- oder Durchflußwandler, der meist in Halbbrüchen - (Gegentakt-) Schaltung und selbstschwingend mittels Strom- oder Spannungsrückkopplung arbeitet und überwiegend HF-Ausgang besitzt. Er weist bedingt kurze Sekundärleistungen auf und ist meist nur bedingt dimmbar (ET-Dimmer/Phasenabschnittsdimmer).
Seine Netzinstabilität wird 1 : 1 durchgereicht oder mit hohem Aufwand kompensiert. Die relativ kleinen Innenwiderstände werden elektronisch realisiert. Derartige Methoden zur Speisung von Niederspannungsnetzen sind in den DE-OS 38 23 583; 38 04 807; 33 33 656; 33 30 465; 31 09 612 sowie in den Firmenkatalogen von BEME GmbH, Menden; TRIDONIC GmbH & Co. Weißenborn; EA-ELEKTRO-AUTOMATIK/ H. HOLDEN GmbH & Co: KG, Viersen, beschrieben.
Die Erfindung verfolgt das Ziel, eine netzbetriebene mittels Phasenabschnitts-Steuerung dimmbare elektronische Einheit einer definierten Leistungsklasse (z. B. 300 W) zu realisieren, deren SELV-Ausgangsspannung an bestimmte Niederspannungs-Verbraucher mit ohmscher Charakteristik (z. B. 12V-Halogenlampen) angepaßt ist.
Die SELV-Ausgangsspannung soll weitgehend frei von hochfrequenten Anteilen sein und oberhalb einer Netzspannung 207 Vac von Eingangsspannungs- und Belastungsänderungen unbeeinflußt bleiben. Überlast-, Übertemperatur- und Kurzschluß-Schutzschaltungen führen zur Abschaltung der elektronischen Einheit im Beanspruchungsfall.
Das Ziel der Erfindung besteht also darin, eine elektronische Einheit zu realisieren, die bei annähernd ohmscher Charakteristik eine Energieentnahme aus dem Wechselspannungsnetz ermöglicht (Spannung und Strom in Phase) und damit die Dimmbarkeit mittels Phasenabschnittssteuerung verwirklicht. Nach hochfrequenter Wandlung mittels Schaltelektronik und Leistungsübertrager sowie nach Gleichrichtung soll die Energie in gleicher Form, mit gezielt anderen Spannungs- und Stromkomponenten am Ausgang der elektronischen Einheit zur Verfügung stehen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Sperr- oder Durchflußwandler mit Halbwellen zu speisen, die mittels Zweiweggleichrichtung aus der Netzwechselspannung gewonnen werden. Die Halbwellen, die nur durch Kapazitäten des Entstörfilters verfälscht sind, werden annähernd original mittels gesteuerter Schaltelektronik und angepaßten Leistungsübertragers entsprechend seines Übersetzungsverhältnisses auf eine andere Amplitude gewandelt. Nach Gleichrichtung und Mittelwertbildung der Schaltimpulse stehen die Halbwellen mit einem entsprechenden Effektivwert, frei von hochfrequenten Anteilen, galvanisch getrennt (SELV), phasengleich am Ausgang zur Verfügung.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Unabhängigkeit des Effektivwertes der Halbwellenausgangsspannung von Änderungen der Eingangsspannung in einem definierten Bereich sowie bei Belastungsänderungen mittels Regelkreis realisiert wird, wobei ein Pulslängen- oder Phasenmodulator-Schaltkreis die Steuerung der Schaltelektronik übernimmt.
Der Regelverstärker des Schaltkreises vergleicht eine Referenzgröße mit einer Ist-Größe, die subtraktiv aus einem bestimmten Betrag des Spitzen- oder Mittelwertes der anliegenden Halbwellenspannung entsprechenden Größe (Ist-Spannungs-Information) und einem bestimmten Betrag des Spitzen- oder Mittelwertes des eingangsseitigen Stromes entsprechenden Größe (Ist-Strom-Information) gewonnen wird, wobei die Beträge der Größen und der Verstärkungsfaktor des Regelverstärkers auf den Innenwiderstand des ungeregelten Wandlers abgestimmt sind. Um die Dimmbarkeit zu gewährleisten, muß die Regelung unterhalb des vorgegebenen Netzspannungsbereiches (z. B. unterhalb 207V) blockiert sein (z. B. Tastverhältnis konstant). Außerdem darf der Eingang durch das Netzfilter nicht zu hoch blindstrombelastet sein. Ein noch in dieser Hinsicht vertretbarer Filteraufwand wird für die netzseitige Entstörung möglich, wenn die Energie verteilt auf ein Frequenzband übertragen wird. Diese Maßnahme begünstigt auch die Siebung und damit Entstörung der Ausgangsspannung.
Bei breitbandiger hochfrequenter Energieübertragung wird die Energie der Eingangshalbwellenspannung entsprechend ihrer differentiellen Amplitude mit zugeordnet veränderlicher Schaltfrequenz mittels Schaltelektronik und Leistungsübertrager auf die gewünschte sekundäre Amplitude gewandelt, wobei durch die Breitbandübertragung der Energie die Amplitude der differentiellen Störspannungen und damit der Entstörfilteraufwand verkleinert wird, wodurch auch mit größeren übertragbaren Leistungen eine netzseitige Phasenausschnitts- oder Phasenabschnitts-Dimmung realisierbar ist.
Die Ist-Strominformation kann zur Bewertung der Überlast- bzw. Kurzschluß-Schutzschaltung sowie der Unterlast-Abschaltung zugeführt werden.
Die Vorteile gegenüber den im Stand der Technik offenbarten konventionellen Transformatoren sind:
  • - Dimmbarkeit (Abschnittsdimmung)
  • - geringes Leistungsvolumen, geringes Gewicht
  • - stabilisierte Ausgangsspannung
  • - Softanlauf (keine Stromstöße)
  • - elektronischer Überlast-, Kurzschluß-, Übertemperaturschutz.
Die Vorteile gegenüber dem "Elektronischen Konverter" sind:
  • - Softanlauf (keine Stromstöße)
  • - stabilisierte Ausgangsspannung
  • - extrem kleiner Innenwiderstand
  • - keine hochfrequenten Anteile auf der Ausgangsspannung
  • - genauere Überlast-Abschaltung
  • - Kurzschlußfestigkeit
  • - elektronischer Übertemperaturschutz (ohne Thermoschalter)
  • - große Belastungsvariation möglich (bis 1 : 20).
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Die Zeichnung zeigt die prinzipielle Darstellung eines "Elektronischen Halbwellenconverters" gemäß der Erfindung.
Der Converter ist für eine Eingangsspannung Ui 207 bis 244 Vac, 50/60 Hz bzw. für Notstrombetrieb 220 Vdc und für eine Ausgangsspannung Uo 12Veff bei einer Ausgangsleistung max. 300 W konzipiert.
Die bei AC-Betrieb mittels Brückengleichrichter A2 gewonnene Sinus-Halbwellenspannung gelangt nahezu unverfälscht (nur "kleine" Kapazitäten in den Oberwellenfiltern) zu der kapazitiven Halbbrücke mit den Kondensatoren C1, C2 den MOS-Leistungsschaltern V1, V2 und dem mit seiner Primärentwicklung im Brücken-Querzweig liegenden Leistungsübertrager T3.
Der Schaltkreis N1 steuert über den Treibertransformator T1 die MOS-Schalter 200 kHz alternierend und übernimmt als Puls-Längen-Modulator mit Hilfe seines Regelverstärkers die Regelung der Ausgangsspannung Uo.
Im Betriebszustand wird durch eine entsprechende Wicklung des Transformators T3, mittels der Diode V3 und des Kondensators C3 die Betriebsspannung für den Schaltkreis erzeugt. Diese Spannung Ux ist als Spitzenwert der Netzhalbwellen, nahezu unbeeinflußt vom Tastverhältnis der 200 kHz-Steuerung der Halbbrücke, gleichzeitig eine Information der anliegenden Netzspannung und damit indirekt die Ist-Wert-Information Uo instabil des ungeregelten Wandlers. Ein durch den Teiler R3, R4 festgelegter Betrag von Ux wird dem invertierenden Eingang des Regelverstärkers des Schaltkreises N1 zugeführt, der diese Information mit der Größe Uz vergleicht, die an seinem nicht invertierenden Eingang anliegt. Uz wird von der Referenzspannung des Schaltkreises abgeleitet und durch einen bestimmten Betrag der indirekten Ausgangsstrominformation Uy beeinflußt, der durch die Widerstände R7, R8 und R9 festgelegt wird.
Die Verstärkung des Regelverstärkers und damit die Einflußnahme auf das Tastverhältnis der 200 kHz-Leistungsimpulse wird mittels der Widerstände R5, R6 so festgelegt, daß am Ausgang des Flußwandlers nach Gleichrichtung durch die Dioden V8 und V9 und Mittelwertbildung mittels Spule L1 und Kondensator C7 eine entsprechend des Übersetzungsverhältnisses von Transformator T3 konzipierte Halbwellenspannung Uo mit dem gewünschten Effektivwert erzeugt wird, die im Netzspannungs- und Belastungs-Bereich konstant ist.
Die Strominformation Uy, die als Spitzenwert des Halbwellenstromes mittels Stromwandler T2, Diode V4 und Kondensator C4 gewonnen wird, kann neben der beschriebenen Funktion, den Innenwiderstand des Wandlers zu minimieren, zum Ansteuern von Schutzschaltungen verwendet werden (Schutz vor Überlast, Kurzschluß, Unterbelastung).
Beim Anlauf der Schaltungen wird die Betriebsspannung für den Schaltkreis N1 mittels Widerstand R1 von der gleichgerichteten Netzspannung abgeleitet, wobei der Schaltkreisausgang zunächst gesperrt ist und erst freigegeben wird, wenn die Z-Diode V6 leitend und der Transistor V7 durchgesteuert sind, d. h. wenn in den Kondensatoren C3 und C6 über die Widerstände R1 bzw. R2 genügend Energie für den Anlauf gespeichert ist. Dabei realisiert der Kondensator C5 den Softanlauf. Nach dem Anlauf sichert die Z-Diode V5 eine konstante Amplitude der Ansteuerimpulse für die MOS-Leistungsschalter. Die Filter A1 und A3 realisieren die netzseitige Funkentstörung.
Wird zum Beispiel, in der Figur ein Widerstand zwischen dem Anschluß CT des Schaltkreises N1 und dem positiven Ausgang des Filters A3 angeordnet, ist es möglich, die Netzhalbwellen je nach momentaner Amplitude mit unterschiedlicher Frequenz, also breitbandig auf die sekundäre Seite zu übertragen, wobei im Beispiel der größte Momentanwert der Sinushalbwelle mit der höchsten, entsprechend der kleinste mit der niedrigsten Frequenz gewandelt wird.
Das Übertragungsband wird durch die Beschaltung des Schaltkreises konzeptionell so gelegt, daß die Verluste des Wandlers minimiert sind.
Durch diese frequenz-differentielle Energieübertragung wird der primäre und sekundäre Filteraufwand reduziert und damit die netzseitige Dimmung auch bei hoher übertragbarer Leistung realisierbar.

Claims (2)

1. Stabilisierender elektronischer Halbwellenconverter für ohmsche Verbraucher mit diskreter oder breitbandiger hochfrequenter Energieübertragung als Sperr- oder Durchflußwandler, gespeist mit einer Halbwellenspannung, die mittels Zweiweggleichrichtung aus einer Wechselspannung gewonnen wird, mittels gesteuerter Schaltelektrik und angepaßtem Leistungsübertrager entsprechend seines Übersetzungsverhältnisses, diskret hochfrequent auf eine andere Amplitude gewandelt werden und am Ausgang nach Gleichrichtung und Integration der Schaltimpulse als Halbwellen mit einem entsprechenden Effektivwert, galvanisch getrennt (SELV), phasengleich zur Verfügung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelkreis mittels Pulslängen - oder Phasenmodulator - Schaltkreis zur Steuerung der Schaltelektronik vorgesehen ist, dessen Regelverstärker eine Referenzgröße mit einer Ist-Größe vergleicht, die subtraktiv aus einer dem Spitzen- oder Mittelwert der eingangsseitig anliegenden Halbwellenspannung entsprechenden Größe (Ist-Spannungs-Information Ux) und einer dem Spitzen- oder Mittelwert des eingangsseitigen Stromes entsprechenden Größe (Ist-Strom-Information Uy) gewonnen wird, wobei die verknüpften Beträge der Informationen und der Verstärkungsfaktor des Regelverstärkers auf den Innenwiderstand des ungeregelten Wandlers, reziprok wirkend, abgestimmt sind.
2. Elektronischer Halbwellenconverter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei breitbandiger hochfrequenter Energieübertragung die Energie der Eingangshalbwellenspannung entsprechend ihrer differentiellen Amplitude mit zugeordnet veränderter Schaltfrequenz mittels Schaltelektronik und Leistungsübertrager auf die gewünschte sekundäre Amplitude gewandelt wird.
DE4126544A 1991-08-10 1991-08-10 Stabilisierender elektronischer halbwellenconverter fuer ohmsche verbraucher mit diskreter oder breitbandiger hochfrequenter energieuebertragung Withdrawn DE4126544A1 (de)

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