DE19608938A1 - Elektrische Schaltungsanordnung für den Betrieb von elektrischen Lampen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Schaltungsanordnungen für den Betrieb von elektrischen Lampen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Diese Art von elektrischen Schaltungsanordnungen eignet sich sowohl zum Betreiben von Entladungslampen, insbesondere von Leuchtstofflampen und Hochdrucklampen als auch zum Betreiben von Glühlampen, z. B. Nieder­ volt-Halogenglühlampen. Für den Betrieb von Entladungslampen nennt man derartige Schaltungsanordnungen im allgemeinen "elektronische Vor­ schaltgeräte" (EVG), während für den Betrieb von Niedervolt-Halogenglüh­ lampen die Bezeichnung "elektronischer Transformator" oder "elektro­ nischer Konverter" gebräuchlich ist.

Ohne entsprechende Gegenmaßnahmen erzeugen die genannten Schal­ tungsanordnungen im Betrieb u. a. unerwünschte Funkstörungen. Ursache hierfür sind meistens schnelle Potentialänderungen - im folgenden verkür­ zend auch als HF-Potential bezeichnet - auf der Schaltungsplatine, z. B. durch schnelle Schalttransistoren, gegenüber der geerdeten Gehäusemasse (Geräte der Schutzklasse I) oder der Umgebung bzw. Erde (Geräte der Schutzklasse II). Die mit den schnellen Potentialänderungen verbundenen elektrischen HF-Felder können über kapazitive Kopplungen Gleichtakt-Störströme influ­ enzieren, die beispielsweise auf den Netzzuleitungen fließen. Die Strom­ schleife ist dabei über parasitäre Kapazitäten im wesentlichen zwischen der Schaltungsanordnung und Erde geschlossen. Eine ausführliche Beschrei­ bung der Entstehung von Funkstörungen findet sich beispielsweise in W. Hirschmann und A. Hauenstein: "Schaltnetzteile", Siemens AG, Berlin, 1990, S. 72ff. Bezüglich der Grenzwerte für Funkstörungen speziell bei elek­ trischen Betriebsgeräten für Lampen ist die VDE 0875 - sie entspricht der internationalen Norm CISPR 15 - einzuhalten.

Eine gebräuchliche Maßnahme zur Unterdrückung von Gleichtakt- Störströmen besteht darin, ein Entstörfilter, z. B. eine stromkompensierte Drossel in die Netzzuleitungen der Schaltungsanordnung zu schalten. Die Auslegung stromkompensierter Drosseln ist beispielsweise in O. Kilgenstein: "Schaltnetzteile in der Praxis", Vogel Buchverlag, Würzburg, 1986, S. 355ff erläutert. Ihre Wirkung beruht darauf, daß der netzfrequente Nutzstrom un­ gedämpft passieren kann. Hochfrequente Gleichtakt-Störströme werden hingegen durch die hohe Induktivität der stromkompensierten Drossel aus­ gefiltert. Einem kompakten Aufbau sind allerdings Grenzen gesetzt, da durch unmittelbar benachbarte Bauteile und deren Störsignale die entstö­ rende Wirkung einer stromkompensierten Drossel vermindert oder sogar - insbesondere aufgrund magnetischer Störfelder - in eine gegenteilige Wir­ kung umgekehrt werden kann.

Bei Geräten der Schutzklasse I können zusätzlich Y-Kondensatoren von den Netzzuleitungen gegen den Schutz- bzw. Erdleiter geschaltet sein, wodurch zumindest ein Teil der Gleichtakt-Störströme zur Erde abfließen kann. Bei Geräten der Schutzklasse II besteht diese Möglichkeit nicht.

Die EP-PS 0264765 beschreibt einen elektronischen Konverter zum Betrieb von Niedervolt-Halogenglühlampen, der eine stromkompensierte Drossel zur Funkentstörung aufweist. Außerdem ist die Sekundärseite des Lei­ stungsübertragers - dieser dient als Auskoppelkreis, der die getaktete Span­ nung des Schaltteils auf die Nennspannung der angeschlossenen Niedervolt- Halogenglühlampe transformiert - über einen Kondensator mit dem Plus- oder Minuspol des Netzgleichrichters verbunden. Dadurch wird ein HF- Kurzschluß erzeugt, der Störspannungen über dem Leistungsübertrager klein hält. Diese Maßnahme ist allerdings auf elektronische Konverter be­ schränkt.

In der DE-OS 41 37 207 ist eine HF-Entstörung offenbart, die ebenfalls auf einem HF-Kurzschluß beruht und prinzipiell sowohl bei EVG′s als auch bei elektronischen Konvertern eingesetzt werden kann. Dazu wird ein HF- Signal, im Falle eines EVG′s beispielsweise aus dem Serienresonanzkreis der Entladungslampe ausgekoppelt und über einen Hochpaß mit einer in die Netzzuleitungen geschalteten Entstördrossel verbunden. Bei optimaler Di­ mensionierung des Hochpasses fließen nahezu keine Störströme über die Netzzuleitungen. Allerdings ändert sich die HF-Impedanz der Ent­ stördrossel in Abhängigkeit vom Wert des sie durchfließenden Ein­ gangsstroms. Dadurch ändert sich die Entstörwirkung empfindlich mit der angeschlossenen Last.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu be­ seitigen und eine Schaltungsanordnung zum Betreiben elektrischer Lampen anzugeben, die nur geringe Funkstörungen erzeugt und prinzipiell sowohl für elektronische Konverter als auch für elektronische Vorschaltgeräte geeig­ net ist. Ein weiterer Teil der Aufgabe ist es, eine besonders wirtschaftliche Lösung mit möglichst wenigen zusätzlichen Bauteilen anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk­ male des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen erläutert.

Der Grundgedanke besteht darin, mittels einer oder mehrerer Äquipoten­ tialflächen - eine Äquipotentialfläche ist eine elektrisch gut leitende Fläche, z. B. eine Folie, Schicht oder Platte aus Metall oder einem anderen elektrisch leitenden Material beispielsweise Kunststoff - die Entstehung uner­ wünschter Störströme zu verhindern, oder zumindest deutlich zu redu­ zieren. Dazu ist (sind) die Äquipotentialfläche(n) mit bezüglich der schnel­ len Potentialänderungen ruhendem Potential auf der Leiterplatte verbunden.

Prinzipiell ist nahezu jeder Punkt der Schaltungsanordnung für die Verbin­ dung mir der Äquipotentialfläche geeignet, sofern er die vorgenannte Be­ dingung - vernachlässigbares HF-Potential - erfüllt. Allerdings ist darauf zu achten, daß der "kurzgeschlossene" HF-Störstrom nicht unerwünscht über Bauteile der Schaltungsanordnung abfließt und dadurch möglicherweise Störungen verursacht. Aus diesem Grunde ist eine entsprechende Masselei­ terbahn besonders geeignet.

Darüber hinaus ist (sind) die Äquipotentialfläche(n) gegenüber der Umge­ bung elektrisch isoliert in der Nähe der Leiterbahnen und elektronischen Bauteile mit HF-Potential angeordnet.

Hintergrund dieser Maßnahmen ist es - vereinfacht betrachtet - mit Hilfe der Äquipotentialfläche(n) gezielt (mindestens) eine zusätzliche Kapazität einzuführen. Die Zusatzkapazität fungiert quasi als möglichst niederohmi­ ger "Kurzschluß" für die hochfrequente Funkstörquelle. Eine derartige Äquipotentialfläche kann nämlich - ähnlich wie die Umgebungserde, z. B. die geerdete Grundplatte einer Leuchte, in welche die Schaltungsanordnung eingebaut ist - als die zu den Leiterbahnen der Leiterplatte korrespondie­ rende Gegenhälfte eines Zusatzkondensators interpretiert werden. Die Ka­ pazität dieses Zusatzkondensators ist bevorzugt größer, insbesondere viel größer als die parasitäre Streukapazität der Leiterbahnen bezüglich der Er­ de. Im letzteren Fall wirkt die Zusatzkapazität quasi wie ein Kurzschluß für zeitlich schnell veränderliche, d. h. hochfrequente Störströme. Folglich wer­ den die unerwünschten Störstrome gegen Erde entsprechend reduziert und zwar im wesentlichen um so effizienter, je größer die Zusatzkapazität im Vergleich zur parasitären Streukapazität ist.

Zwar ist in der DE 44 18 886 A1 bereits eine Schaltungsanordnung mit einer Metallfläche zur Funkentstörung offenbart. Allerdings hat diese Metallfläche - im Gegensatz zu vorliegenden Erfindung - ein zeitlich schnell veränderli­ ches Potential. Genauer gesagt ist dieses Potential bezüglich dem Störsignal zeitlich invertiert. Der Zweck dieser Maßnahme ist eine Kompensation der Störsignale durch die dazu gegenphasigen, von der Metallfläche erzeugten Signale. Ein Nachteil dieser Lösung ist, daß das Kompensationsprinzip eine möglichst genaue Abstimmung der konkrete geometrische Gestalt der Me­ tallfläche erfordert, um eine unerwünschte Unter- bzw. Überkompensation zu vermeiden.

Im Gegensatz dazu ist bei der vorliegenden Erfindung die konkrete geome­ trische Gestalt der Äquipotentialfläche(n) relativ unkritisch in Bezug auf die prinzipielle Funktion. Eine aufwendige Abstimmung auf die jeweilige Schaltung wie im Stand der Technik ist überflüssig. Solange der Wert der Zusatzkapazität zumindest in der Größenordnung der parasitären Streuka­ pazität der Schaltungsanordnung liegt, oder insbesondere größer als diese ist - was in der Praxis problemlos realisierbar ist - wird eine gute Reduzie­ rung von Funkstörungen erreicht.

Der konkrete Wert der erfindungsgemäßen Zusatzkapazität ist durch die geometrische Gestalt der Äquipotentialfläche(n), insbesondere durch ihren Flächeninhalt sowie durch den Abstand zu den Leiterbahnen beeinflußbar. Innerhalb eines praktisch handhabbaren Bereichs nimmt der Wert zu mit zunehmendem Flächeninhalt und abnehmendem Abstand. Bei zwei oder mehr Äquipotentialflächen addieren sich die einzelnen Zusatzkapazitäten, entsprechend der Parallelschaltung von Kapazitäten.

In einer ersten erfindungsgemäßen Ausführung ist die Äquipotentialfläche auf der Oberseite der Leiterplatte angeordnet, also auf der Seite der Leiter­ platte, auf der sich die Bauelemente befinden. In einer besonders bevorzug­ ten Ausführung ist die gesamte Oberseite mit einer Kupferschicht bedeckt. Ausgenommen sind selbstverständlich die Durchführungen der Bauelemen­ te zur Unterseite der Leiterplatte, also auf die Seite der Leiterplatte, auf der sich die Leiterbahnen - und ggf. direkt mit den Leiterbahnen verlötete SMD(Surface Mounted Device)-Bauteile - befinden. Diese großflächige Kup­ ferschicht hat den Vorteil, daß sämtliche mit Störungen belastete Leiterbah­ nen von der Zusatzkapazität erfaßt werden. Außerdem wirkt sich dadurch die konkrete Anordnung der einzelnen Bauelemente auf der Leiterplatte - d. h. das Leiterplatten-Layout - weniger kritisch auf die Erzeugung von Störsignalen aus.

Bevorzugt ist diese Ausführung mit Hilfe einer gebohrten, doppelseitig kup­ ferkaschierten Leiterplatte realisiert. Dabei sind wie üblich die Leiterbahnen aus der Kupferschicht der Unterseite der Leiterplatte mittels eines an sich bekannten Ätzprozesses gebildet. Die Kupferschicht der Oberseite ist an mindestens einer Stelle durch eine geeignete Bohrung in der Leiterplatte hindurch mit einer Masseleiterbahn kontaktiert, beispielsweise mittels einer Drahtbrücke. Der Vorteil dieser Lösung ist, daß außer der erwähnten elektri­ schen Verbindung zwischen Kupferschicht und Masseleiterbahn keine wei­ teren Maßnahmen oder zusätzliche Bauteile erforderlich sind. Die Masselei­ terbahn ist gezielt so gewählt, daß sie sich während des Betriebs der Schal­ tungsanordnung bezüglich schneller Potentialänderungen (HF-Potential) auf ruhendem Potential befindet. Dabei hat ggf. eine relativ langsame bzw. stati­ sche Potentialdifferenz zwischen der Masseleiterbahn und der Erde keinen Einfluß auf die vorteilhafte Wirkung der Erfindung.

In einer zweiten Ausführung ist die Äquipotentialfläche auf der Unterseite der Leiterplatte angeordnet, auf der sich die Leiterbahnen befinden, also auf der Lötseite. Dazu ist eine flächige Kupferschicht auf der Leiterplatte zwi­ schen den Leiterbahnen und von diesen elektrisch isoliert aufgebracht. Die flächige Kupferschicht kann auch aus mehreren miteinander elektrisch lei­ tend verbundenen Teilflächen bestehen. Die Verbindung mit einer Masselei­ terbahn erfolgt beispielsweise über eine Lötbrücke. Diese Ausführung ist in erster Linie für einseitig kupferkaschierte Leiterplatten vorgesehen, d. h. wenn die Oberseite der Leiterplatte keine Kupferschicht aufweist.

In einer weiteren Ausführung ist die Äquipotentialfläche durch ein im Be­ reich der Ober- und/oder Unterseite der Leiterplatte angeordnetes Kupfer­ blech gebildet. Bevorzugt ist das bzw. sind die Kupferbleche mindestens so groß wie die Leiterplatte und im wesentlichen parallel zur Leiterplatte ange­ ordnet, z. B. auf der Innenseite des Gehäusedeckels bzw. -bodens der Schal­ tungsanordnung. Außerdem ist das Kupferblech mit einer Masseleiterbahn kontaktiert, z. B. mittels eines Kupferbandes.

Des weiteren sind auch beliebige Kombinationen der vorgenannten Ausfüh­ rungen denkbar, insbesondere wenn erhöhte Anforderungen an die Störfrei­ heit gestellt werden. Im Einzelfall ist dann die mögliche zusätzliche Verrin­ gerung von Störsignalen gegen den ebenfalls zusätzlichen Aufwand und die damit verbundenen Kosten abzuwiegen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger Ausführungsbeispiele nä­ her erläutert. Es zeigen

Fig. 1a eine schematische Darstellung der kapazitiven Kopplung zwischen einer Leiterbahn mit HF-Potential und Erde, ohne Maßnahmen zur Reduzierung von Funkstörungen,

Fig. 1b wie Fig. 1a, aber mit einer mit Massepotential verbundenen Kup­ ferplatte zur Reduzierung von Funkstörungen,

Fig. 1c eine gegenüber Fig. 1b geänderte Anordnung einer mit Masse ver­ bundenen Kupferplatte,

Fig. 2 eine Anordnung einer mit Massepotential verbundenen Kupfer­ schicht auf einer Leiterplatte.

Die Fig. 1a-1c dienen im folgenden zur vereinfachenden Erläuterung des Grundprinzips der Erfindung. Gleiche Merkmale sind dabei durch glei­ che Ziffern bezeichnet. Eine Festlegung auf irgendeine theoretische Erklä­ rung ist damit nicht beabsichtigt.

In Fig. 1a ist zunächst schematisch die kapazitive Kopplung zwischen einer Leiterbahn 1 mit schnellen Potentialänderungen, d. h. mit HF-Potential und Erde 2 dargestellt. Ohne Maßnahmen zur Reduzierung von Funkstörungen fließt über die parasitäre Kapazität C₁ - symbolisiert durch einen gepunkte­ ten Kondensator zwischen der Leiterbahn 1 und der Erde 2 - ein uner­ wünschter Funkstörstrom i₁.

Die erfindungsgemäße Anordnung in Fig. 1b weist zusätzlich eine mit Massepotential verbundene Kupferplatte 3 auf, die als Äquipotentialflä­ che(n) mit bezüglich des HF-Potentials der Leiterbahn 1 ruhendem Potential fungiert. Die Kupferplatte 3 ist auf der von der Erde 2 abgewandten Seite der Leiterbahn 1 und im wesentlichen parallel dazu angeordnet. Aufgrund geeigneter Dimensionierung und Anordnung der Kupferplatte 3 resultiert eine parasitäre Kapazität C₂ zwischen der Kupferplatte 3 und der Leiter­ bahn 1, die größer als die parasitäre Kapazität C₁ zwischen der Leiterbahn 1 und Erde 2 ist, d. h. C₂ < C₁, idealerweise ist C₂ » C₁. Unter der Vorausset­ zung, daß C₂·U₂ < C₁·U₁ - dabei bezeichnen U₁, U₂ die in der Praxis nahezu gleich großen HF-Spannungen über den parasitären Kapazitäten C₁ bzw. C₂ - fließt folglich ein Großteil des Funkstörstroms i₂ über die Kapazität C₂ zur Kupferplatte 3 und nur ein geringerer Teil i₁′ über die Kapazität C₁ zur Er­ de 2 ab, d. h. i₂ < i₁′. Idealerweise ist i₁′ verschwindend gering, d. h. i₁′ ≈ 0.

Fig. 1c zeigt eine weitere erfindungsgemäße Anordnung in schematischer Darstellung. Im Unterschied zur Anordnung in Fig. 1b ist hier die Kup­ ferplatte 3 auf der der Erde 2 zugewandten Seite der Leiterbahn 1 angeord­ net, d. h. zwischen Leiterbahn 1 und Erde 2. In der Praxis wird die Kupfer­ platte 3 gezielt mit einer Masseleiterbahn verbunden, deren HF- Potentialdifferenz zur Erde 2 im wesentlichen vernachlässigbar ist. Dadurch fließt der Funkstörstrom nahezu vollständig über die Kupferplatte 3 ab. Folglich ist der über die Erde 2 fließende Funkstörstrom i₄ vernachlässigbar gering, in jedem Fall aber wesentlich kleiner als der über die Kupferplatte 3 abfließende Funkstörstrom i₃.

Fig. 2 zeigt den Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Anordnung 4 in schematischer Darstellung. Eine Leiterplatte 5 (dargestellt ist nur ein Teilbe­ reich) ist auf ihrer Oberseite nahezu vollständig mit einer Kupferschicht 6 bedeckt. Die Kupferschicht 6 ist mit einer bezüglich schnellen Potentialände­ rungen ruhenden Masseleiterbahn 7 verbundenen. Sie fungiert so als Funk­ störungen reduzierende Äquipotentialfläche. Zu diesem Zweck ist eine Drahtbrücke 8 in korrespondierenden Bohrungen 9, 9′ der Leiterplatte 5 bzw. der Masseleiterbahn 7 angeordnet. Mittels zweier Lötpunkte 10, 11 sind die beiden Enden der Drahtbrücke 8 mit der Kupferschicht 6 einerseits und der Masseleiterbahn 7 andererseits verbunden. Weitere Bohrungen 12 in der Leiterplatte 5 dienen in an sich bekannter Weise der Durchführung der An­ schlüsse der elektronischen Bauelemente auf die Unterseite, d. h. die Lötseite der Leiterplatte 5. Im Bereich der Bohrungen 9, 12 ist die Kupferschicht 6 mit kreisförmigen Aussparungen 13 versehen, die unerwünschte Kontaktierun­ gen zwischen den Anschlüssen und der Kupferschicht 6 verhindern. Die Verhältnisse sind exemplarisch anhand eines Zweipols 14 dargestellt. Der Zweipols 14 steht hier lediglich symbolisch für ein elektronisches Bauteil mit schnellen Potentialänderungen. Die beiden Anschlüsse 15, 16 des Zwei­ pols 14 sind durch die Aussparungen 13 und Bohrungen 12 hindurch auf die Unterseite der Leiterplatte 5 geführt und dort mittels zweier Lötpunk­ te 17, 18 mit entsprechenden Leiterbahnen 19, 20 verbunden.

Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele be­ schränkt. Insbesondere können einzelne Merkmale unterschiedlicher Aus­ führungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden.

Bezugszeichenliste

Kennwort: "Schutzblech"
1 Leiterbahn
2 Erde
4 Schaltungsanordnung
5 Leiterplatte
6 Kupferschicht
7 Masseleiterbahn
8 Drahtbrücke
9 Bohrung (Leiterplatte)
9′ Bohrung (Masseleiterbahn)
10 Lötpunkt
11 Lötpunkt
12 Bohrungen (Leiterplatte)
13 Aussparungen
14 Bauteil (Zweipol)
15 Anschluß (Zweipol)
16 Anschluß (Zweipol)
17 Lötpunkt
18 Lötpunkt
19 Leiterbahn
20 Leiterbahn

Claims (12)

1. Elektrische Schaltungsanordnung (4) für den Betrieb von elektrischen Lampen mit einer Leiterplatte (5), auf der elektrische Bauteile (14) und Leiterbahnen (7; 19; 20) angeordnet sind, wobei auf der Leiterplatte zeit­ lich schnelle Potentialänderungen auftreten, sowie mit einer Äquipo­ tentialfläche (6) zur Reduzierung der durch diese Potentialänderungen verursachten Funkstörungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Äqui­ potentialfläche (6) mit bezüglich der schnellen Potentialänderungen ruhendem Potential (7) auf der Leiterplatte (5) verbunden ist und daß die Äquipotentialfläche (6) zumindest in der Nähe der Ober- oder Un­ terseite der Leiterplatte (5) angeordnet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Äquipotentialfläche (6) die Oberseite der Leiterplatte (5) zumindest teilweise bedeckt, wobei diejenigen Bereiche (13) auf der Oberseite ausgespart sind, in welchen die Anschlüsse (15, 16) der Bauteile (14) durch die Leiterplatte (5) hindurch zu den auf der Unterseite der Lei­ terplatte angeordneten Leiterbahnen (19; 20) geführt sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Äquipotentialfläche (6) mittels einer Löt- oder Drahtbrücke (8) durch eine Bohrung (9) in der Leiterplatte (5) hindurch mit einer auf der Unterseite der Leiterplatte (5) angeordneten Masseleiterbahn (7) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Äquipotentialfläche die Unterseite der Leiterplatte zumindest teil­ weise bedeckt, wobei diejenigen Bereiche der Unterseite ausgespart sind, in welchen Leiterbahnen verlaufen und/oder gegebenenfalls weitere elektrische (SMD)Bauteile angeordnet sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Äquipotentialfläche mittels einer Löt- oder Drahtbrücke mit einer auf der Unterseite der Leiterplatte angeordnete Masseleiterbahn ver­ bunden ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Äquipotentialfläche zwischen den Schichten einer mehrschichtigen Leiterplatte angeordnet ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Äquipotentialfläche aus einer Schicht (6) oder Platte (3) aus elektrisch gut leitendem Material besteht.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte in etwa die Fläche der Leiterplatte einnimmt.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Platte im wesentlichen parallel zur Leiterplatte angeordnet ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Äquipotentialfläche aus zwei oder mehreren Teilflächen besteht.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus Metall, insbesondere aus Kupfer, besteht.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff besteht.