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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen elektronischen Leistungssteller
der zur proportionalen Leistungseinstellung von angeschlossenen
elektrischen Lasten nach dem Phasenanschnitt-Prinzip vorgesehen
ist.
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Derartige
elektronischen Leistungssteller sind in der Regel dafür vorgesehen,
auf komfortable Art und Weise die Helligkeiten von Leuchtmitteln (Glühlampen,
Halogenlampen, Leuchtstoffröhren usw.)
und/oder die Drehzahl von elektrischen Motoren (Lüfter, Pumpen
usw.) je nach Bedarf einstellen zu können. Zu diesem Zweck sind
verschiedene Steuerverfahren bekannt geworden, mittels der auch die
notwendige Betriebsspannung für
die Steuerelektronik des Leistungsstellers über den Restphasenwinkel sicher
gestellt wird.
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Durch
die Druckschrift „Elektronik-Handbuch Modular” der Firma
Albrecht Jung GmbH & Co.
KG, 4. Auflage aus dem Jahr 2003, Seite 66 ist ein elektronischer
Leistungssteller bekannt geworden. Bei einem solchermaßen ausgebildeten
elektronischen Leistungssteller steuert ein Mikrocontroller die
Leistungen von angeschlossenen elektrischen Lasten nach dem Phasenanschnitt-Prinzip.
Bei diesem Leistungssteller erfolgt die Leistungseinstellung der
angeschlossenen Lasten in Zwei-Leiter-Technik.
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Um
die Steuerelektronik eines solchermaßen ausgebildeten Leistungstellers
mit der notwendigen Betriebsspannung versorgen zu können, sind verschiedene
Möglichkeiten
bekannt geworden.
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Eine
häufige
und kostengünstige
Möglichkeit ist
die Beibehaltung eines Restphasenwinkels. Im Zeitraum des Restphasenwinkels,
also in der Zeit vom Netzstromnulldurchgang über den Dimmerklemmen bis zur
Zündung
des Triacs wird die Spannungsversorgung für die Steuereinrichtung erzeugt
und damit die Betriebsspannung für
die Steuerelektronik sichergestellt. Hierzu ist es erforderlich,
den Netzstromnulldurchgang zu erkennen. Das geschieht z. B. durch
einen Komparator, wie dies aus der Patentschrift
DE 198 23 311 C2 bekannt
geworden ist. Die Größe bzw.
Länge des
Restphasenwinkels ist dabei bestimmt durch die kleinste zu steuernde
Last und stellt einen konstanten Wert dar. Somit ist ein Restphasenwinkel
mit konstanter Größe bzw.
Länge eingestellt,
durch den zumeist viel mehr Energie von der Netzspannung abgezweigt
wird, als zur Sicherstellung der notwendigen Betriebsspannung des
Leistungsstellers benötigt
wird. Die maximal zu erreichende Drehzahl von elektrischen Motoren
bzw. die maximal einzustellende Leuchtstärke von elektrischen Leuchtmitteln
wird dadurch bei einer solchen Betriebsspannungsversorgung unnötigerweise
begrenzt.
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Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin, aus der sich im Zeitraum des Restphasenwinkel über der Steuerung
aufbauenden Spannung zuerst eine Hilfsspannung zu erzeugen. Diese
Hilfsspannungsversorgung beinhaltet einen kleinen Kondensator. Aus
der Hilfsspannung wird in der Spannungsversorgung die Betriebsspannung
für die
Steuerelektronik erzeugt. Die Spannungsversorgung weist einen größeren Kondensator
als Energiespeicher auf, aus dem die notwendige Betriebsspannung
geliefert wird. Ist nun der Restphasenwinkel zur Erzeugung der notwendige
Betriebsspannung zu klein, wird zuerst die Hilfsspannung sinken.
Dies wird durch die Mikrocontrollersteuerung erkannt und deshalb
der Restphasenwinkel erhöht,
damit die zum einwandfreien Betrieb notwendige Betriebsspannung
erzeugt werden kann. Eine solche Anordnung ist aber nicht nur teuer
in der Herstellung, sondern benötigt
zu ihrer Realisierung vergleichsweise viel Platz.
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Weiterhin
ist durch die
DE 198
07 517 A1 eine Möglichkeit
bekannt geworden, wobei in Reihe zum Hauptschalter des Laststroms
ein Hilfsschalter vorgesehen ist, der zur Erzeugung der Betriebsspannung
während
der Leitendphase des Hauptschalters geöffnet wird und eine Spannungsversorgung
die parallel zum Hilfsschalter und in Reihe zur Last liegt, in Betrieb
setzt, damit die für
die Steuerelektronik notwendige Betriebsspannung geliefert werden
kann. Eine solche Ausbildung ist aber wegen des zusätzlichen
Hilfsschalters ebenfalls hinsichtlich Kosten und Platzbedarf vergleichsweise
aufwendig.
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Zudem
ist durch die
DE 103
15 554 B3 ein elektronischer Leistungssteller zur proportionalen Leistungseinstellung
von angeschlossenen, elektrischen Lasten bekannt geworden. Der Leistungssteller
weist eine mit einem Mikrocontroller versehene Steuerschaltung auf.
Die Steuerschaltung wird im Phasenabschnitt nicht über die
als Restphasenwinkel bezeichnete Zeitspanne vom Ausschalten des elektrischen
Leistungsschaltelementes bis zum Spannungsnulldurchgang mit der
notwendigen Betriebsspannung versorgt. Statt dessen wird hierbei unmittelbar
nach dem Spannungsnulldurchgang die anliegende Spannung zur Erzeugung
der Betriebsspannung genutzt. Dies erfordert eine Schaltungsanordnung,
die zusätzlich
einen Schalter aufweist, dies ist nicht nur teuer sondern verursacht
auch einen entsprechend erhöhten
Platzbedarf. Der beschriebene Zeitpunkt wo eine Netzspannung von
30 V anliegt, stellt beispielsweise das Ende der Aufbereitung der Betriebsspannung
dar. Somit ergeben sich eindeutig keine Auswirkungen auf die Länge des
Restphasenwinkels. Insbesondere eine Bestimmung des Restphasenwinkels
in Abhängigkeit
der Lastart ist nicht möglich.
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Des
weiteren ist durch die
DE
693 02 737 T2 ein Verfahren zur Leistungssteuerung in einer
am Netz angeschlossenen Last bekannt geworden, wobei ein aus fünf Widerständen bestehendes
Spannungsteiler-Netzwerk zur Detektierung einer Synchronisationsspannung
vorgesehen ist. Dieses Widerstandsnetzwerk ist an zwei Eingänge des
Mikrocontrollers angeschlossen und so dimensioniert, dass der Mikrocontroller
drei Zustände
unterscheiden kann, nämlich
a) Leitendphase, b) Sperrphase in der positiven Halbwelle und c)
Sperrphase in der negativen Halbwelle. Ein Synchronisationsimpuls
wird hieraus nur einmal pro Vollwelle erkannt. Zudem wird beschrieben,
wie hieraus ein Triggersignal für
beide Halbwellen gewonnen wird.
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Außerdem ist
durch die
DE 102 52
653 A1 eine Vorrichtung zur Steuerung von Wechselstromverbrauchern
bekannt geworden. Um die Schaltpunkte für die positiven und negativen
Halbwellen gleich einzustellen, sind die Verbindungen Usync und Isync
jeweils mit zwei Widerständen
gleichen Wertes als Spannungsteiler aufgebaut und gegen U
SS geschaltet. Es ist der Einsatz von zwei
hochohmigen Spannungsteilern vorgesehen, die nicht an Masse angeschlossen
sind, so dass die Steuerung von iduktiven und/oder ohmschen Lasten
möglich
ist. Wegen der unterschiedlichen Spannungsabfälle am Leistungsschalter verbleibt
jedoch eine kleine Unsymmetrie der Halbwellen. Eine solche Unsymmetrie
ist jedoch nicht bei allen Anwendungen tolerabel. Dieses Verfahren
basiert auf der getrennten Erkennung des Spannungs- und Stromnulldurchgangs,
was einen Betrieb als Leistungssteller mit Neutralleiteranschluss
voraussetzt, da die Messung der ungedimmten Netzspannung erforderlich
ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen
Leistungssteller zu schaffen, dessen notwendige Betriebsspannung
auf besonders kostengünstige
und einfache Art und Weise durch die Einstellung des lastabhängig kleinst
möglichen
Restphasenwinkels zuverlässig
sichergestellt wird.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst.
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Bei
einer solchen Ausbildung ist besonders vorteilhaft, dass sich der
Leistungssteller insgesamt bei vergleichsweise geringem Platzbedarf
auf besonders kostengünstige
Art und Weise herstellen lässt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind in den
Unteransprüchen
angegeben. Anhand von vier Figuren sei die Erfindung im Prinzip
näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1:
ein Blockschaltbild eines solchen Leistungsstellers;
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2:
ein Blockschaltbild, welches vergrößert den wesentlichen Teil
der Steuerelektronik eines solchen Leistungsstellers darstellt;
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3:
einen Halbwellenverlauf, von Netzspannung und Strom über dem
Restphasenwinkel beim Anschluss einer ohmschen Last;
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4:
einen Halbwellenverlauf, von Netzspannung und Strom über dem
Restphasenwinkel beim Anschluss einer induktiven Last.
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Wie
insbesondere aus 1 hervorgeht, besteht ein solcher
Leistungssteller LS hauptsächlich aus
einer Drossel Dr, einem zur Funkentstörung dienenden Kondensator
C1, einem als Triac T ausgebildeten elektronischen Leistungsschaltelement,
einer über
eine Impedanz Imp angeschlossenen Spannungsversorgung SV und einem
Mikrocontroller μC der
mit einer Netzstromnulldurchgangerkennungseinheit AE und einer Netzspannungshöheerkennungseinheit
SpE in Verbindung steht. Der Leistungssteller LS liegt einerseits
an der Phasenleitung L1 und andererseits in Reihe über die
Last L am Neutralleiter N.
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Beim
dargestellten Ausführungsbeispiel
wird eine positive Betriebsspannung zur Versorgung der Steuerelektronik
verwendet.
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Wie
des Weiteren insbesondere aus 2 hervorgeht,
ist zur Erkennung des Netzstromnulldurchgang ein erster Spannungsteiler
vorgesehen, der als Netzstromnulldurchgangerkennungseinheit AE ausgebildet
ist. Zur Erkennung der Netzspannungshöhe ist ein zweiter Spannungsteiler
vorgesehen, der als Netzspannungshöheerkennungseinheit SpE ausgebildet
ist. Die beiden Spannungsteiler sind hochohmig ausgeführt. Zur
sicheren Erkennung des positiven und negativen Netzhalbwellenverlaufs
bzw. von Netzstromnulldurchgang und Netzspannungshöhe ist dabei
ein erster Controllereingang E1 des Mikrocontrollers μC mit der
Netzstromnulldurchgangerkennungseinheit AE verbunden und steht ein
zweiter Controllereingang E2 des Mikrocontrollers μC mit der Netzspannungshöheerkennungseinheit
SpE in Verbindung und ist der Fußpunkt Fp der Netzstromnulldurchgangerkennungseinheit
AE und der Netzspannungshöheerkennungseinheit
SpE mit einem Controllerausgang A des Mikrocontrollers μC verbunden.
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In
einer ersten Betriebsart wird der Fußpunkt Fp auf Schaltungsmasse
VSS gelegt, indem der über seinen Controllerausgang
A damit verbundene Mikrocontroller μC den Fußpunkt Fp auf low zieht. Liegt am
ersten Eingang U1 der Netzstromnulldurchgangerkennungseinheit AE
die Netzspannung an, wird in dieser Betriebsart der Netzspannungsnulldurchgang am
Beginn der positiven Netzhalbwelle am ersten Controllereingang E1
des Mikrocontrollers μC
mit hinreichender Genauigkeit detektiert, indem der erste Controllereingang
E1 von low auf high wechselt.
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In
der zweiten Betriebsart wird der Fußpunkt Fp zur Erkennung des
Netzstromnulldurchgang von der Netzstromnulldurchgangerkennungseinheit
AE auf Betriebsspannung VDD gelegt, indem
der Mikrocontrollers μC über seinen
Controllerausgang A den Fußpunkt
Fp auf high zieht. Der Netzstromnulldurchgang wird somit am Beginn
der negativen Netzhalbwelle am ersten Controllereingang E1 des Mikrocontrollers μC mit hinreichender
Genauigkeit detektiert, indem der erste Controllereingang E1 von
high auf low wechselt.
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Bei
der in diesem Ausführungsbeispiel
gewählten
Widerstandsdimensionierung führen
die Teilungsverhältnisse
der Widerstände
der Netzstromnulldurchgangerkennungseinheit AE zwischen dem ersten
Eingang U1 der Netzstromnulldurchgangerkennungseinheit AE und dem
Fußpunkt
Fp zu einer symmetrischen Erkennung des Netzstromnulldurchgang in
der positiven und negativen Netzhalbwelle.
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Kostengünstig zeigt
sich eine derartige Anordnung weiterhin dadurch, dass die Ermittlung
zweier Netzspannungshöhen
in positiver und negativer Richtung direkt über den als Netzspannungshöheerkennungseinheit
SpE ausgeführten
zweiten Spannungsteiler möglich
ist. Der verwendete Mikrocontroller μC ist damit in der Lage die
Netzspannungshöhe direkt
zu messen, da der überschüssige Teil
der Netzspannung über
die implementierten Schutzdioden abgeleitet werden kann.
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In
einer ersten Betriebsart wird der Fußpunkt Fp auf Schaltungsmasse
VSS gelegt, indem der über seinen Controllerausgang
A damit verbundene Mikrocontroller μC den Fußpunkt Fp auf low zieht. Liegt am
zweiten Eingang U2 der Netzspannungshöheerkennungseinheit SpE die
Netzspannung an, wird in dieser Betriebsart die Netzspannungshöhe in der
positiven Netzhalbwelle am zweiten Controllereingang E2 des Mikrocontrollers μC mit hinreichender
Genauigkeit detektiert, indem der zweite Controllereingang E2 von
low auf high wechselt.
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In
der zweiten Betriebsart wird der Fußpunkt Fp zur Erkennung der
Netzspannungshöhe
von der Netzspannungshöheerkennungseinheit
SpE auf Betriebsspannung VDD gelegt, indem
der Mikrocontroller μC über seinen
Controllerausgang A den Fußpunkt Fp
auf high zieht. Die Netzspannungshöhe wird in der negativen Netzhalbwelle
am zweiten Controllereingang E2 des Mikrocontrollers μC mit hinreichender Genauigkeit
detektiert, indem der zweite Controllereingang E2 von high auf low
wechselt.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
führt es trotz
optimaler Widerstandsdimensionierung des Teilungsverhältnisses
der Widerstände
der Netzspannungshöheerkennungseinheit
SpE zwischen seinem zweiten Eingang U2 und dem Fußpunkt Fp
nicht zu einer symmetrischen Erkennung der Spannungshöhe innerhalb
des positiven und negativen Netzhalbwellenverlaufes. Dies ist deshalb
der Fall, weil aufgrund des ungünstigen
Verhältnisses
der hohen zu erkennenden Netzspannungen zu den festen kleinen Schaltschwellen
des Mikrocontrollers μC
keine Dimensionierung existiert, die eine symmetrische Erfassung
möglich
macht.
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Die
unterschiedlichen Netzspannungshöhen,
die während
des positiven und negativen Netzhalbwellenverlaufes erkannt werden,
können
jedoch Vorteilhafterweise für
unterschiedliche Erkennungszwecke ausgenutzt werden. Beim vorliegenden
Ausführungsbeispiel
wird in der positiven Netzhalbwelle die Erkennung der Netzspannungsschwellwertes
US zur Ermittlung des Restphasenwinkels
benutzt und in der negativen Netzhalbwelle wird die Erkennung der Netzspannungshöhe zur Ermittlung
von Netzunterbrechungen bzw. zur Erkennung eines Gerätefehlers ausgenutzt,
indem aufgrund der Netzspannungsmessung ein Bauteildefekt der Impedanz
Imp zum Laden eines Betriebsspannungskondensators ausgenutzt wird
und somit geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet
werden können.
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Durch
die Bestimmung der optimalen Größe des Restphasenwinkels,
abhängig
von der angeschlossenen Last, können
Dimmer und Drehzahlsteller in Zwei-Leiter-Technik realisiert werden, die eine sehr
hohe maximale Helligkeit bzw. maximale Drehzahl ohne aufwändige Beschaltung
erzielen. Wie insbesondere aus 3 und 4 hervorgeht,
wird die Größe des Restphasenwinkels
nach dem Netzstromnulldurchgang nach Feststellung eines im Mikrocontroller μC abgelegten Netzspannungsschwellwertes US und einer sich daran anschließenden ebenfalls
im Mikrocontroller μC
abgelegten Zeitspanne t1 bestimmt.
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Wie
aus 3 hervorgeht, ergibt sich bei ohmscher Last bei
einem Netzspannungsschwellwert US von ca.
100 Volt und einer Zeitspanne t1 von einer Millisekunde ein Restphasenwinkel
mit einer Größe von 39,6°, was einer
Stromflussdauer von 7,8 Millisekunden bei 50 Hertz entspricht. Für die Erzeugung
der notwendigen Betriebsspannung VDD bleibt somit
eine Dauer von 2,2 Millisekunden.
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Wie
aus 4 hervorgeht, ergibt sich bei induktiver Last
bei einem Netzspannungsschwellwert US von
ca. 100 Volt und einer Zeitspanne t1 von einer Millisekunde ein
Restphasenwinkel mit einer Größe von 22,5°, was einer
Stromflussdauer von 8,75 Millisekunden bei 50 Hertz entspricht.
Für die
Erzeugung der notwendigen Betriebsspannung VDD bleibt
somit eine Dauer von 1,25 Millisekunden.