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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Versorgungsschaltung
mit einem Transformator, einem Gleichrichter und einem Glättungskondensator,
die in dieser Folge elektrisch hintereinander geschaltet sind, wobei
die Versorgungsschaltung im Falle einer an ihrem Eingang angelegten
Wechselspannung an ihrem Ausgang eine geglättete Gleichspannung bereitstellt,
an die ein Verbraucher, insbesondere wenigstens ein LED-Leuchtmittel
angeschlossen oder anschließbar
ist. Außerdem
betrifft die vorliegende Erfindung eine Leuchte mit wenigstens einem
LED-Leuchtmittel,
das an einer geglätteten
Gleichspannung betrieben wird. Des Weiteren betrifft die vorliegende
Erfindung eine Niedervoltleuchte mit einem Gleichrichter, einem
Glättungskondensator
und einem LED-Leuchtmittel zum Betrieb an einer transformierten
Niedervolt Wechselspannung.
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Derartige
elektrische Versorgungsschaltungen sind im Stand der Technik bekannt
und werden z. B. für
die Versorgung von LED-Leuchtmitteln verwendet. Dabei wird zunächst aus
einer Netzspannung, üblicherweise
eine Wechselspannung von 230 V mit 50 Hz, durch Transformieren eine
Niedervolt Wechselspannung als Versorgungsspannung mit üblicherweise
12 V bereitgestellt. In dem Gleichrichter wird die Versorgungsspannung
gleichgerichtet und anschließend
durch den Glättungskondensator
auf eine Betriebsspannung mit einem idealerweise konstanten Pegel
geglättet.
An dieser Betriebspannung wird das LED-Leuchtmittel über eine
Regelschaltung, z. B. zur Einstellung und Stabilisierung des Stroms, betrieben.
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Die
Baugröße der Versorgungsschaltung
ist wesentlich durch die Größe des Transformators
bedingt. Deshalb wird zumindest der Transformator der Versorgungsschaltung
oft von dem Verbraucher getrennt vorgesehen, beispielsweise in einem
externen Netzteil. Auch können
z. B. mehrere Leuchten mit LED-Leuchtmittel als Niedervoltleuchten
mit einer zentral angeordneten Versorgungsschaltung gemeinsam versorgt
werden, wobei Gleichrichter, Glättungskondensator
und Regelschaltung integral in der Niedervoltleuchte vorgesehen
sind.
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Es
sind auch elektronische Transformatoren bekannt, die eine kleine
Bauform aufweisen. In ihnen werden aus der Netzspannung Spannungspulse
mit einer Frequenz von typischerweise etwa 50 kHz erzeugt, wodurch
der eigentliche Übertragertransformator
sehr klein ausgelegt werden kann. Kostengünstige frei- bzw. selbstschwingende
elektronische Transformatoren wurden speziell für die Verwendung von Glühlampen
oder auch Halogenglühlampen
entwickelt, die eine überwiegend
ohmsche Last darstellen. Sie können
jedoch mit ausgeprägten
induktiven oder kapazitativen Lasten, wie sie sich z. B. bei der Verwendung
eines Glättungskondensators
ergeben, nicht betrieben werden, da solche Lasten eine Phasenverschiebung
in der Rückkopplung der
selbstschwingenden elektronischen Transformatoren bewirken. Dies
stört den
Schwingkreis, und die Schwingungen können zum Erliegen kommen.
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Alternativ
sind aktiv getaktete elektronische Transformatoren bekannt, die
dieses Problem nicht kennen. Diese werden in der Praxis aus Kostengründen jedoch
nur selten eingesetzt.
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Trotz
dieser Probleme steigt die Nachfrage nach alternativen und neuartigen
Leuchtmitteln zur Verwendung in üblichen
Lampenfassungen und Beleuchtungssystemen. Dies liegt einerseits
an den steigenden Energiekosten und dem wachsenden Umweltbewusstsein
der Verbraucher und andererseits an gesetzlichen Vorgaben, wonach
z. B. in den Staaten der Europäischen
Union in wenigen Jahren nur noch Leuchten mit einem geringen Stromverbrauch
in Verkehr gebracht werden dürfen.
Die Verwendung neuer Leuchtmittel würde alle vorhandenen elektronischen
Transformatoren unbrauchbar machen und stellt deshalb keine akzeptable
Lösung
dar.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine stabile, kleine und
kostengünstige
elektrische Versorgungsschaltung bereitzustellen, welche den Betrieb
der neuartigen, insbesondere LED-basierten Leuchtmittel, in vorhandenen
Beleuchtungssystemen ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Transformator ein frei- bzw. selbstschwingender elektronischer
Transformator ist und zwischen Gleichrichter und Glättungskondensator
ein Leistungsfaktorkorrekturfilter geschaltet ist.
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Grundgedanke
der Erfindung ist es also, durch das Leistungsfaktorkorrekturfilter
die Last derart umzuwandeln, dass sie für den Transformator näherungsweise
eine rein ohmsche Last darstellt. Dadurch wird der selbstschwingende
elektronische Transformator stabilisiert und seine Verwendung auch
für Verbraucher
ermöglicht,
die selber eine induktive oder kapazitative Last darstellen. Damit
kann die elektrische Versorgungsschaltung stabil arbeiten und durch
unter Verwendung des kleinen und preiswerten selbstschwingenden
elektronischen Transformators hergestellt werden, wodurch sie eine
geringe Baugröße aufweist
und preiswert ist. Dadurch kann die elektrische Versorgungsschaltung
besonders vorteilhaft als integrale Schaltung ausgebildet sein,
die leicht in verschiedene Geräte
oder auch in Leuchten integriert werden kann. Durch den geringen
Preis ist auch eine Verwendung in oder mit preiswerten Massenartikeln
möglich,
da der Anteil der Herstellungskosten der elektrischen Versorgungsschaltung
an den gesamten Herstellungskosten gering ist.
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Aufgrund
des kleineren Übertragungstransformators
eines selbstschwingenden elektronischen Transformators verglichen
mit einem konventionellen Transformator fallen nur geringe Magnetisierungsverluste
an, wodurch die Verluste gegenüber
einer konventionellen Versorgungsschaltung insgesamt reduziert werden.
Somit ist diese Versorgungsschaltung auch in ökonomischer Hinsicht für verschiedene Verbraucher
interessant. Durch das Leistungsfaktorkorrekturfilter können allgemeine
Verbraucher, auch solche mit einer nicht ohmschen Last, mit der
erfindungsgemäßen Versorgungsschaltung
betrieben werden.
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So
kann eine Leuchte integral mit der elektrischen Versorgungsschaltung
gebildet und direkt in einer üblichen
Lampenfassung verwendet werden. Die Leuchte wird dann unmittelbar
mit der Netzspannung verbunden. Besondere Anpassungen der Lampe
oder ihrer elektrischen Installation an die so gebildete Leuchte
sind nicht erforderlich.
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Auch
kann bei einer Niedervoltleuchte zwischen dem Gleichrichter und
dem Glättungskondensator
ein Leistungsfaktorkorrekturfilter vorgesehen sein. Damit kann die
Niedervoltleuchte in konventionellen Niedervolt-Beleuchtungssystemen,
die einen zentralen Transformator und üblicherweise eine Mehrzahl
Niedervoltleuchten umfassen, zum Austausch konventioneller Niedervoltleuchten
verwendet werden. Konventionelle Niedervoltleuchten sind häufig als
Glühlampen
oder auch Halogenglühlampen ausgeführt und
stellen eine ohmsche Last dar. Damit können auch selbstschwingende
elektronische Transformatoren in Niedervolt-Beleuchtungssystemen verwendet werden.
Durch die Verwendung der neuartigen LED-Niedervoltleuchten mit dem
Lei stungsfaktorkorrekturfilter kann der Austausch der konventionellen
Niedervoltleuchten erfolgen, ohne dass der selbstschwingende elektronische
Transformator instabil wird.
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Bei
der Verwendung eines LED-Leuchtmittels kann diesem eine Regelschaltung
vorgeschaltet sein, welche die Helligkeit des LED-Leuchtmittels
regelt. Damit kann die LED immer in ihrem idealen Betriebspunkt
betrieben werden. Außerdem
ist auch ein effektives Dimmen durch eine geeignete Regelschaltung
auf an sich bekannte Weise möglich.
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Des
Weiteren kann das Leistungsfaktorkorrekturfilter ein aktives Filter
sein. Aktive Filter sind gegenüber
passiven Filtern deutlich leistungsfähiger. Verglichen mit passiven
Filtern enthalten sie nur kleine passive Elemente, so dass sie eine
kleinere Bauform aufweisen. Damit stellen sie z. B. für die Integration
mit Verbrauchern eine adäquate
Lösung
dar. Insbesondere die Verwendung mit LED-Leuchtmitteln ist gut möglich, da
aufgrund vorgegebener Lampenfassungen und existierender Lampen eine
Größenbeschränkung für die integrierten
Leuchtmittel existiert.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Leistungsfaktorkorrekturfilter
als nicht ideales Filter mit einer Vorverzerrung seiner Strom-Spannungskennlinie
ausgeführt.
Der selbstschwingende elektronische Transformator mit dem nachgeschalteten Leistungsfaktorkorrekturfilter
benötigt
am Beginn jeder Halbwelle etwas mehr Strom als üblich, um seine Schaltelemente
bei anfangs noch kleiner/geringer Spannung im Rückkopplungskreis sicher treiben
zu können.
Ein näherungsweise
ideales Filter kann dies jedoch nicht leisten. Wenn das Filter mit
einer Vorverzerrung ausgeführt
wird kann der selbstschwingende elektronische Transformator ausreichend
Strom für einen
stabilen Betrieb erhalten.
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Schließlich kann
der Glättungskondensator ein
Elektrolytkondensator sein. Diese Kondensatoren weisen eine besonders
hohe Energiespeicherdichte auf, wodurch die Baugröße der Versorgungsschaltung
besonders klein gehalten werden kann.
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Hinsichtlich
weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die
Unteransprüche sowie
die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die beiliegende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt:
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1 einen
Schaltplan einer Leuchte mit einer elektrischen Versorgungsschaltung
gemäß der vorliegenden
Erfindung, und
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2 einen
Schaltplan von zwei Leuchtmitteleinheiten im parallelen Betrieb
an einem Transformator.
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In
der 1 ist eine Leuchte 1 mit einer elektrischen
Versorgungsschaltung 2, einer Regelschaltung 3 und
einer Leuchtdiode 4 dargestellt, die in dieser Reihenfolge
hintereinander geschaltet sind. Die Leuchte 1 ist auf nicht
gezeigte Weise mit einem genormten Schraubsockel, z. B. E14 oder
E27, zur direkten Verwendung in einer entsprechenden Lampenfassung
ausgeführt, über die
sie an eine Netzspannung U1, hier eine übliche 230
V Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 Hz, angeschlossen wird.
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Die
elektrische Versorgungsschaltung 2 umfasst einen frei-
oder selbstschwingenden elektronischen Transformator 5,
einen Gleichrichter 6, ein Leistungsfaktorkorrekturfilter 7 und
einen Glättungskondensator 8,
die elektrisch hintereinander geschaltet sind, wobei das Leistungsfaktorkorrekturfilter 7 eine
aktive Steuerungselektronik enthält
und der Glättungskondensator 8 ein
Elektrolytkondensator ist. Der Transformator 5 stellt die
Eingangsseite und der Glättungskondensator 8 die
Ausgangsseite der elektrischen Versorgungsschaltung 2 dar.
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Im
Betrieb ist die Leuchte 1 an die Netzspannung U1 angeschlossen. Die Netzspannung U1 liegt somit an dem Transformator 5 an,
der die Netzspannung U1 auf eine Niedervolt
Wechselspannung U2 transformiert. Der Transformator 5 ist
so ausgelegt, dass er aus der Netzspannung U1 eine
transformierte Spannung U2 von 12 V (effektiv)
erzeugt. Die transformierte Niedervolt Wechselspannung U2 wird in dem Gleichrichter 6 zu
der Spannung U3 gleichgerichtet, die an
dem Leistungsfaktorkorrekturfilter 7 anliegt. Das Leistungsfaktorkorrekturfilter 7 stellt
ausgangsseitig eine Betriebsspannung U4 bereit,
die von dem Glättungskondensator 8 geglättet wird.
Eingangsseitig führt
das Leistungsfaktorkorrekturfilter 7 eine Minimierung der
Blindleistung durch, so dass eine Phasenverschiebung von Strom und
Spannung, die durch den Glättungskondensator 8 und
evtl. nachfolgende nicht ohmsche Lasten bewirkt wird, an dem Gleichrichter 6 idealerweise
aufgehoben wird (cos(φ)
= 1). Entsprechend wird auch der selbstschwingende elektronische
Transformator 5 praktisch nicht mit Blindleistung belastet.
Dadurch stellt das Leistungsfaktorkorrekturfilter 7 die
für den
selbstschwingenden elektronischen Transformator 5 erforderlichen
Betriebsbedingungen bereit.
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Die
Regelschaltung 3 dient dazu, für die Leuchtdiode 4 eine
Leuchtenspannung U5 mit einem festen vorgegebenen
Pegel zur Verfügung
zu stellen. Die Regelschaltung 3 stabilisiert die Leuchtenspannung
U5 insbesondere gegen Schwankungen der Temperatur
und betreibt dadurch die Leuchtdiode 4 mit einer konstanten
Helligkeit. Auf an sich bekannte Weise kann die Regelschaltung 3 auch
die Helligkeit der Leuchtdiode 4 beim Dimmbetrieb steuern.
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Der
Pegel der Betriebsspannung U4 ist über den
selbstschwingenden elektronischen Transformator 5, den
Gleichrichter 6, das Leistungsfaktorkorrekturfilter 7 und
den Glättungskondensator 8 von
dem Effektivwert der Netzspannung U1 abhängig. Wenn die
Netzspannung U1 z. B. durch Dimmen mit einem Dimmer
verändert
wird, verändern
sich auch die nachfolgenden Spannungen U2,
U3, U4. Bei der
Verwendung einer entsprechend ausgeführten Regelschaltung 3 kann
diese ohne Weiteres die Änderung der
Betriebsspannung U4 an ihrem Eingang erfassen und
die Leuchtleistung der Leuchtdiode 4 entsprechend anpassen,
wobei zur Beibehaltung der Leuchtcharakteristik der Pegel der Leuchtenspannung
U5 konstant gehalten wird. Alternativ kann
die Regelschaltung 3 auf nicht gezeigte Weise die transformierte
Niedervolt Wechselspannung U2 oder die gleichgerichtete
Spannung U3 zur Anpassung der Leuchtleistung
der Leuchtdiode 4 erfassen.
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Für den stabilen
Betrieb des selbstschwingenden elektronischen Transformators 5 ist
das Leistungsfaktorkorrekturfilter 7 als nicht ideales
Filter ausgeführt.
Es zeigt eine Vorverzerrung seiner Strom-Spannungskennlinie. Der
selbstschwingende elektronische Transformator 5 benötigt mit
nachgeschaltetem Leistungsfaktorkorrekturfilter am Beginn jeder
Halbwelle etwas mehr Strom als üblich,
um seine Schaltelemente bei anfangs noch kleiner/geringer Spannung
im Rückkopplungskreis
sicher treiben zu können.
Dies wird durch die spezielle Ausführung des Filters sichergestellt.
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In
einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung, die in 2 gezeigt ist, wird eine Niedervoltleuchte 9 gebildet,
indem jeweils ein Gleichrichter 6, ein Leistungsfaktorkorrekturfilter 7,
ein Glättungskondensator 8,
eine Regelschaltung 3 und eine Leuchtdiode 4 elektrisch
hin tereinander geschaltet und integral ausgeführt sind. Die Funktion der
einzelnen Komponenten ist wie zuvor beschrieben. zentral ist ein
selbstschwingender elektronischer Transformator 5 vorgesehen,
der über
eine gemeinsame elektrische Verteilung 10 mit jeder Niedervoltleuchte 9 verbunden
ist. Dabei stellt jede Niedervoltleuchte 9 für sich durch
die Verwendung des Leistungsfaktorkorrekturfilters 7 eine
näherungsweise
ohmsche Last dar, sodass der selbstschwingende elektronische Transformator 5 sich
insgesamt in einem stabilen Betrieb befindet.