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1. WO2008028563 - DIMMERSCHALTUNG

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Beschreibung
Dimmerschaltung

Die Erfindung betrifft eine netzrückwirkungsarme Dimmerschaltung zur Leistungsrege- lung eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere einer Lampe.

Eine derartige Dimmerschaltung ist beispielsweise aus der DE 44 33 552 B4 bekannt. Dabei wird unter einer Netzrückwirkung die Wirkung von nichtsinusförmigen Verbraucherströmen am Innenwiderstand (Generator und Leitungen) des speisenden Netzes mit der Folge einer unerwünschten Spannungsverzerrung der Netzspannung verstanden. Die beschriebene Dimmerschaltung zeichnet sich durch eine sinusförmige Stromaufnahme (geringer Oberschwingungsanteil) sowie durch einen hohen Leistungsfaktor aus.

Die heute üblichen Drehstromnetze sind so aufgebaut, dass alle 4 Leiter L1 ,L2,L3 und N mit dem gleichen Querschnitt verlegt sind. Der Strom im N-Leiter ist bei ohmschen Lasten (Leistungsfaktor 1) in einem Drehstromsystem gleich 0. Sind in einer Installation viele, oder sehr große Verbraucher mit einem schlechten Leistungsfaktor vorhanden, kann es zu einer Überlastung des N Leiters kommen. Es ist daher ein Leistungsfaktor von mehr als 0,95 anzustreben. Unter dem Leistungsfaktor wird dabei das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung verstanden.

Nachteiligerweise kann mit einer Dimmerschaltung gemäß der DE 44 33 552 B4 ein elektrischer Verbraucher mit einem niedrigen Spannungsbedarf nur mittels eines Ver-lust aufweisenden Transformators angesteuert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dimmerschaltung anzugeben, die netzrückwirkungs-arm ist, einen hohen Leistungsfaktor aufweist und sich für elektrische Verbraucher mit unterschiedlichem Spannungsbedarf eignet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmalskombination des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Insbesondere ermöglicht eine derartige Dimmerschaltung eine Änderung und Regelung der Lastparameter. Durch Änderung der Ausgangsspannung des Dimmers kann die Helligkeit einer Halogenlampe geregelt werden. Bei Änderung der Eingangsspannung hält der Dimmer die Spannung an der Lampe konstant. Es ist der Einsatz von Lampen mit unterschiedlicher Lampenspannung ermöglicht.

In diesem Zusammenhang wird unter dem vorliegend verwendeten Begriff einer Leistungsregelung eine Regelung zur Beeinflussung der Leistung verstanden. Insofern sind von einer Leistungsregelung insbesondere auch eine Spannungs- oder eine Stromre- gelung umfasst.

Vorteilhafterweise umfasst hierbei der Halbbrückenwandler zwei in Serie zwischen die Ausgänge des Gleichrichters geschaltete Kapazitäten und eine zwischen den Kapazitäten angeordnete zweite Anschlussstelle, so dass der elektrische Verbraucher zwi- sehen die erste und die zweite Anschlussstelle schaltbar ist. Durch die Schaltelemente wird somit die Spannung der Kondensatoren abwechselnd an den elektrischen
Verbraucher geschaltet. Die Kondensatoren können hierbei HF-technisch als parallel geschaltet betrachtet werden.

Grundsätzlich können beliebige Schaltelemente wie beispielsweise Triac's oder dergleichen eingesetzt werden. Bevorzugt werden als elektrische Schaltelemente Transistoren, insbesondere MOSFET's, Bipolar-Transistoren oder IGBT's eingesetzt. Dabei vereinigt ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) die Vorteile eines Biolartran-sistors, nämlich gutes Durchlassverhalten, hohe Sperrspannung und Robustheit, mit den Vorteilen eines Feldeffekttransistors, nämlich einer nahezu leistungslosen Ansteuerung.

Wird der ersten Anschlussstelle eine Drossel vorgeschaltet, lässt sich ein spannungsfreies bzw. verlustloses Schalten der Schaltelemente verwirklichen. Damit kann eine Dimmerschaltung mit einem sehr hohen Wirkungsgrad aufgebaut werden.

Hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) ist es weiter vorteilhaft, wenn dem Gleichrichter ein Entstörfilter vorgeschaltet ist.

In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Dimmerschaltung ist das Steuerbauteil zu einer getakteten Ansteuerung der Schaltelemente mit variabler Pulsbreite oder mit variabler Frequenz ausgebildet. Bei einer Ansteuerung mit variabler Frequenz werden die Schaltelemente bevorzugt immer dann geschaltet, wenn die anliegende Spannung gleich Null ist. Damit erfolgt das Schalten verlustfrei.

Zu einer externen Steuerung der Dimmerschaltung ist das Steuerbauteil bevorzugt mit einer Schnittstelle zum Daten- oder Signalaustausch mit einem externen Steuergerät verbunden.

In einer bevorzugten Anwendung ist die vorbeschriebene Dimmerschaltung einer Halogenlampe in einem bewegbaren Scheinwerfer, insbesondere zur Bühnenbeleuchtung, vorgeschaltet und insbesondere als Teil des Scheinwerfers ausgeführt. Derartige Scheinwerfer werden gewöhnlich auch als so genannte „Moving Heads" bezeichnet und erlauben eine gezielte Ausrichtung eines insbesondere farbigen Lichtstrahls variabler Intensität zur Bühnenbeleuchtung, und werden als ein wichtiger Bestandteil der Beleuchtungstechnik für Shows, Theater, Präsentationen, Konzerte und dergleichen eingesetzt.

Das Funktionsprinzip sowie Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung und der folgenden Beschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:

Figur 1 : schematisch den Aufbau einer Dimmerschaltung mit einem Halbbrückenwandler,
Figur 2: ein vereinfachte Gesamtschaltbild des Halbbrückenwandlers,

Figur 3: in einer Grafik verschiedene Spannungsverläufe am Halbbrückenwandler.
Figur 4: ein Ersatzschaltbild während der Entladung des Kondensators, Figur 5: ein Ersatzschaltbild während der Quellenfunktion einer Vorschalt- drossel,
Figur 6: in einer Grafik den Stromverlauf durch die Last und
Figur 7 schematisch einen bewegbaren Scheinwerfer In Fig. 1 wird der grundsätzliche Aufbau eines Ausführungsbeispiels der vorgenannten Dimmerschaltung ersichtlich. Zur Einhaltung einer Funkentstörung ist ein EMV-Filter 1 eingangsseitig einem Gleichrichter 2 vorgeschaltet. Der Gleichrichter 2 dient der Um- Wandlung der Wechselspannung aus dem Netz in eine Gleichspannung. In den Gleichspannungskreis ist ein Halbbrückenwandler 3 geschaltet, der zwei in Serie geschaltete elektrische Schaltelemente T1 und T2 umfasst. Zwischen diesen Schaltelementen T1 ,T2 ist eine erste Anschlussstelle 4 zum Anschluss eines elektrischen Verbrauchers 5, hier einer Halogenlampe.

Der Halbbrückenwandler 3 umfasst weiter zwei in Serie zwischen die Ausgänge des Gleichrichters 2 geschaltete Kapazitäten C1 und C2. Der elektrische Verbraucher 5 ist hierbei zwischen die erste Anschlussstelle 4 und einer zweiten Anschlussstelle 6 zwischen den beiden Kapazitäten C1 , C2 geschaltet. Über den Halbbrückenwandler 3 wird die für den elektrischen Verbraucher 5, im folgenden auch Last genannt, gewünschte Spannung erzeugt. In Serie zu dem elektrischen Verbraucher 5 ist weiter eine Drossel L1 sowie ein Strommesswiderstand zur Stromerfassung geschaltet. Die Stromerfassung kann aber auch über einen Stromwandler erfolgen.

Zur Regelung und zur Ansteuerung der Schaltelemente T1 und T2 ist weiter ein Steuerbauteil 7 vorgesehen, welches mit Anschlüssen zur Bestimmung der Lastspannung UL und des Laststroms IL versehen ist. Zur externen Ansteuerung ist eine Interface Schnittstelle 8 zum Anwender vorgesehen. Zur Erzeugung der intern benötigten Spannungen ist ferner ein DC/DC-Wandler 9 zwischen den Ausgängen des Gleichrichters 2 angeordnet.

Im Ausführungsbeispiel wurden die beiden Kapazitäten C1 und C2 jeweils mit 6,6 μF gewählt. Als Schaltelemente T1 und T2 wurden jeweils Power-MOSFET-Transistoren eingesetzt. Die Drossel L1 besaß eine Induktivität von 17 μH.

Als Schnittstelle war eine RS232-Schnittstelle implemtiert. Über diese Schnittstelle ist zum einen die Helligkeit der Lampe extern einstellbar. Zum anderen können über diese Schnittstelle auch Informationen über Betriebszustände der Last, insbesondere der Lampe, oder die Lampenleistung übermittelt werden.

Die Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsform eingeschränkt. Es können grund- sätzlich andere Bauelemente anderer Charakteristiken und andere bzw. beliebige Schnittstellen eingesetzt werden.

Während des Betriebs schalten die Transistoren T1 und T2 abwechselnd die Spannung vom Kondensator C1 oder C2 über die Drossel L1 an die Last 5. Ist der Transistor T1 eingeschaltet, fließt der Strom von C1 über L1 zur Last 5 bzw. zur Lampe. Schaltet der Transistor T2 ein, dreht sich der Strom in der Drossel L1.
Es fließt in der Last 5 bzw. in der Lampe ein Wechselstrom, der für die Lebensdauer von Halogenlampen von Vorteil ist.

Die Kondensatoren C1 und C2 sind HF - technisch parallel geschaltet und können auch durch einen Kondensator ersetzt werden. Die Regelung der Lampenspannung kann durch die Veränderung der Pulsbreite des Ansteuersignals oder durch Änderung der Frequenz erfolgen. Regelt man über die Frequenzänderung, schalten die Transistoren T1, T2 immer ein, wenn die Spannung an den Transistoren null ist. Damit erfolgt das Einschalten verlustfrei (zero voltage switching). Es kann damit ein Dimmer mit einem sehr hohen Wirkungsgrad aufgebaut werden. Schaltet der Transistor T2 aus, treibt die Drossel L1 den Strom weiter durch die parasitäre Diode D1 vom Transistor T1. Somit ist dann die Spannung an dem Transistor null.

In Fig. 2 ist ein Gesamtschaltbild für den Halbbrückenwandler 3 mit Eingangsdrossel L1 dargestellt.

Hieraus wird ersichtlich, dass die beiden Kondensatoren HF-technisch als parallel geschaltet zu betrachten sind (Ersatzschaltbild). Ist T1 geschlossen, entlädt sich C1. Wird T2 geschlossen, so entlädt sich C2.

Im Normalfall ist der Kondensator C2 so ausgelegt, dass er im Mittel auf Ue/2 aufgeladen ist und sich die Spannung an ihm während einer Schaltperiode nicht ändert.

Aus Fig. 3 werden verschiedene Spannungsverläufe am Halbbrückenwandler 3 ersichtlich. Man erkennt die getaktete Ansteuerung der Schaltelemente T1 und T2 durch die Spannung UG1 und UG2. Der Spannungsverlauf im Halbbrückenwandler 3 weist Sprünge auf, da sich die Polarität des Drossel- bzw. Laststroms IL ändert. Dabei wirkt die Drossel L1 während der Zeit toni als Quelle und treibt den Strom durch die parasitäre Diode des geschalteten Schaltelements.

Für die Berechnung des Stromverlaufs in der Last gelten die Randbedingungen:

1. Keine wesentliche Spannungsänderung an C2 für die Dauer einer Schaltperiode

2. ton 1+ton 2 = T/2 , Uc2 = Ue/2

Für die Zeit W gilt das Ersatzschaltbild gemäß Fig. 4.

Mit dem einfachen Ersatzschaltbild (ESB) kann nun der Drosselstrom und damit der Strom durch die Last berechnet werden.


Für die Zeit toni wird die Drossel zur Quelle.

Für die Zeit von t>ton2 bis toni gilt das Ersatzschaltbild gemäß Figur 5. Es gilt das Folgende:

Mit der Anfangsbedingung für t=0, i = lton2


Berechnung der Zeit toni

Setzt man für lton2 die Gleichung 1 ein, erhält man:





Für die Berechnung der Spannung an der Last gilt das Folgende:

Da die Last eine ohmsche Last ist, ist der Spannungsverlauf gleich dem Stromverlauf.

Der Mittelwert über eine Periode ist:

UR MAVV

Fig 6 zeigt den Stromverlauf in der Drossel L1 und in der Last bzw. in dem elektrischen Verbraucher 5.

In Fig.7 ist schematisch ein so genannter Moving Head 10 dargestellt, der ein Fußteil 11 sowie einen daran bewegbar angeordneten Scheinwerfer 12 umfasst. Der Scheinwerfer 12 trägt dabei zur gerichteten Ausleuchtung eines spezifischen Raumwinkelbereichs mit einem Lichtstrahl variabler Intensität eine dimmbare Halogenlampe 13. Zur Dimmung der Halogenlampe 13 bzw. zur Einstellung der gewünschten Lampenintensität ist in dem Fußteil 11 eine Dimmerschaltung 14 angeordnet, wie sie insbesondere in Fig. 1 dargestellt ist.

Bezugszeichenliste

EMV-Filter
Gleichrichter
Halbbrückenwandler
erste Anschlussstelle
elektrischer Verbraucher
zweite Anschlussstelle
Steuerbauteil
Schnittstelle/Interface
DC/DC-Wandler
Moving Head
Fußteil
Scheinwerfer
Halogenlampe