DE29722904U1 - Lampen-Dimmerschaltung - Google Patents

Description

Gerhard Wittmann 1 WS0309

29. Dezember 1997 Rr/ks

Lampen-Dimmerschaltung

Die Erfindung betrifft eine Lampen-Dimmerschaltung, insbesondere in Form eines Phasenabschnitt-Dimmers.

Die erfindungsgemäße Lampen-Dimmerschaltung ist durch die im Anspruch 1 und/oder die in den weiteren Ansprüchen angegebenen Merkmale charakterisiert und kann wie ein Zweipol zwischen eine Netzphase (Netzspannungseingangsabschluß) und einen Lampenanschluß eingefügt werden. Der Lampenanschluß kann direkt mit der zu steuernden Lampe oder aber mit einer elektrischen, vor die Lampe geschalteten Komponente, beispielsweise einem Vorschaltgerät, verbunden sein. Die erfindungsgemäße Lampen-Dimmerschaltung ist für alle Lampenarten geeignet, beispielsweise für herkömmliche Glühlampen, Metalldampf-Lampen, Metalldampf-Niederdruck-Lampen und/oder Halogenlampen. Die Lampen-Dimmerschaltung ermöglicht eine sehr verlustarme Dimmung, insbesondere Phasenabschnitt-Dimmung, und damit eine sehr gute Energieausnutzung. Weiterhin zeichnet sich die Lampen-Dimmerschaltung durch gutes Regelverhalten und durch Verlängerung der Lampen-Lebensdauer aus.

Zwischen den Netzspannungseingangsanschluß und den Ausgangsanschluß ist mindestens ein, vorzugsweise zwei, in Reihe geschaltete Schaltelemente, insbesondere Feldeffekttransistoren (MOS-FET) eingefügt. Dies erlaubt eine verlustarme Dimmung in beiden Halbwellen durch entsprechende Puisweitenmodulationssteuerung der Feldeffekttransistoren ohne Notwendigkeit von Gleich- und Wechselrichtern.

In bevorzugter Ausgestaltung werden die Nulldurchgänge oder die Polarität der an der Schaltelement-Reihenschaltung abfallenden Spannung erfaßt und die Schaltelemente im wesentlichen bei den jeweiligen Spannungsnulldurchgängen eingeschaltet. Diese Spannungsnulldurchgänge können gegenüber den Netzspannungsnulldurchgängen phasenver-

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schoben sein, insbesondere wenn eine kapazitive oder induktive (auch kompensierte) Last am Ausgang angeschlossen ist, beispielsweise ein Lampen-Vorschaltgerät. Durch die Durchschaltung der Schaltelemente zu den jeweiligen Spannungsnulldurchgängen der an ihrer Reihenschaltung abfallenden Spannung wird sichergestellt, daß die Schaltelemente nicht bei hohen anstehenden Spannungen durchschalten, was zu erheblichen Störspannungen und Belastungsstromspitzen führen könnte.

Das Ausschalten der Schaltelemente, insbesondere der Feldeffekttransistoren, wird aber demgegenüber vorzugsweise auf die Netzspannungsnulldurchgänge bezogen und auf einen vom jeweiligen Dimmgrad abhängigen Netzspannungs-Phasenwinkel festgelegt. Damit läßt sich eine zuverlässige Leistungssteuerung ohne Gefahr von Beschädigungen der Feldeffekttransistoren oder sonstiger Komponenten erreichen. Ferner ergibt sich eine optimale Verlängerung der Lampen-Lebensdauer und sehr gutes Regelverhalten.

Vorzugsweise ist eine Schutzschaltung vorgesehen, die den durch die Schaltelemente fließenden Strom mißt und bei Überstrom begrenzt oder sogar verringert. Dies trägt nicht nur zum Schutz der Schaltelemente bei, sondern erhöht auch die Lampen-Lebensdauer. Weiterhin kann eine Gate-Schutzschaltung vorgesehen sein, die die maximale Gatespannung der Feldeffekttransistoren auf ungefährliche Werte begrenzt.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist eine Startschaltung vorgesehen, die beim Einschalten der Lampen die maximale Leistungsspeisung zur Lampe befiehlt, so daß diese möglichst rasch aufheizt. Hierdurch wird der gerade eingestellte Dimmgrad während einer Anfangsphase übersteuert, so daß die Dimmung erst nach Abklingen dieses Anfangszeitintervalls und damit bei aufgeheizter Lampe einsetzt.

Bei Metalldampf-/Halogen-Lampen ist vorzugsweise zusätzlich eine Wiedereinschaltsperre vorgesehen, die ein Wiedereinschalten der Lampe für ein vorgebbares Zeitintervall sperrt.

Damit wird gewährleistet, daß die Lampe abkühlen kann und somit erst im abgekühlten Zustand wieder einem Zündvorgang ausgesetzt wird. Dies trägt gleichfalls zur Lebensdau-

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erverlängerung bei.

Der Dimmgrad wird in vorteilhafter Weise durch einen Sollwertgeber vorgegeben, wobei vorzugsweise zusätzlich eine Minimalwert- und Maximalwert-Begrenzung des Sollwerts vorgesehen ist. Hierdurch kann eine zu starke Dimmung mit Funktionsstörungen und zu starker Abkühlung der Lampe, und auch eine zu geringe, in instabile Bereiche nahe bei den Netzspannungsnulldurchgängen führende Dimmung verhindert werden.

Die Pulsweitenmodulationsschaltung ist vorzugsweise nicht nur mit dem Nullspannungsdetektor, der die Spannungsnulldurchgänge an der Feldeffekttransistor-Reihenschaltung erfaßt, sondern auch mit einem Netzspannungs-Nulldurchgangsdetektor verbunden, so daß dieser auch die Netzspannungs-Nulldurchgänge durch die Flanken des angelegten Rechtecksignals signalisiert werden. Hierdurch ist die vorstehend bereits angesprochene Einschaltung der Feldeffekttransistoren bei Reihenschaltungs-Spannungsnulldurchgang und Ausschaltung, bezogen auf den Netzspannungs-Phasenwinkel, möglich.

Die erfindungsgemäße Lampen-Dimmerschaltung kann zusätzlich mit einem Gleichspannungsgenerator versehen sein, der die zur Versorgung der Steuerkomponenten notwendige Gleichspannung (zum Beispiel +12 V) aus der Netzwechselspannung erzeugt. Damit ist die erfindungsgemäße Dimmerschaltung autark und läßt sich wie ein Zweipol handhaben. Selbstverständlich kann die Schaltung aber auch als Drei- oder Vierpol ausgelegt sein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

Das in der Zeichnung gezeigte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lampen-Dimmerschaltung ist zwischen einen Netzspannungseingangsanschluß L und einen Ausgangsanschluß 15 geschaltet, an den die nicht gezeigte Lampe oder ein mit dieser verbundenes Vorschaltgerät oder eine sonstige Komponente angeschlossen ist. Die Lampen-Steuerschaltung enthält eine Reihenschaltung aus Feldeffekttransistoren 13, 13', deren

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Drain-Source-Strecken in Reihe liegen und bei abwechselnden Halbwellen der Netzspannung die Phasenabschnitt-Steuerung ausführen. Parallel zu den Drain-Source-Strecken der Feldeffekttransistoren 13, 13' sind die herstellungstechnologisch bedingten Reversedioden 14, 14' gegensinnig geschaltet. Da diese Reversedioden jeweils während einer Halbwelle leitend sind, übernimmt der jeweils andere Feldeffekttransistor während dieser Halbwelle die Phasenabschnittsteuerung. Die Reihenschaltung kann ferner in Reihe geschaltete Widerstände 16, 16' enthalten, deren gemeinsamer Verbindungspunkt auf Schaltungsmasse gelegt ist. Die an den Widerständen 16, 16' abfallende Spannung wird durch eine Schutzschaltung 8 erfaßt, die bei zu hoher Spannung, das heißt zu starkem Stromfluß durch die Reihenschaltung, ein Ausgangssignal erzeugt, das einer Pulsweitenmodulationsschaltung 6 zugeführt wird, die die Aktivierung der Feldeffekttransistoren 13, 13' steuert und deren maximalen Leitwinkel bei Überstrom begrenzt oder herabsetzt. Mit den Gates der Feldeffekttransistoren 13, 13' sind ferner Gate-Schutzschaltungen 7, 7' verbunden, die bei zu hohen Gate-Spannungen (Spannungen zwischen Gate und Source oder Drain) aktiv werden und die maximale Gatespannung begrenzen. Diese Gate-Schutzschaltungen können beispielsweise durch Zenerdioden gebildet sein.

Zur Einstellung des Dimmgrads weist die erfindungsgemäße Lampen-Steuerschaltung einen Sollwertgeber 2 auf, der durch eine eingangsseitige, variable Spannung und/oder durch einen eingangsseitigen, variablen Widerstandswert gesteuert werden kann und einen entsprechenden Sollwert (Stellwert) ausgibt, der der Pulsweitenmodulationsschaltung 6 zugeführt wird und eine entsprechende Pulsweitenmodulation bewirkt. Der Sollwertgeber 2 weist eine galvanische Entkopplung zu den übrigen Komponenten der erfindungsgemäßen Lampen-Steuerschaltung auf und kann einen Transformator enthalten, dessen Sekundärwicklung durch einen Oszillator 1 (Schwingfrequenz beispielsweise 100 kHz) gespeist wird und dessen Primärseite mit dem Dimmgrad-Steuereingang verbunden ist. An den Dimmgrad-Steuereingang kann entweder eine Steuerspannung von 0 bis 10 V angelegt oder ein variabler Widerstand zwischen 0 und 100 kß angeschlossen werden. Aus dieser Eingangsgröße wird durch eine sekundärseitige Schaltung der Sollwert (Stellwert) gebildet. Der maximale Verstellbereich des vom Sollwertgeber 2 erzeugten Sollwerts wird durch eine

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Minimalwert-Begrenzungsschaltung 12 und eine Maximalwert-Begrenzungsschaltung 11 so begrenzt, daß der Sollwert einen gewissen Minimalwert nicht unterschreiten und einen bestimmten Maximalwert nicht überschreiten kann.

Die Lampen-Dimmerschaltung weist weiterhin einen Gleichspannungsgenerator 3 auf, der mit dem Netzspannungseingangsanschluß L, und gegebenenfalls zusätzlich mit einem Netz-Nulleiteranschluß N₅ verbunden ist und die Netz-Sinusspannung in eine Versorgungsgleichspannung von beispielsweise +12 V, bezogen auf die interne, vom Nulleiterpotential getrennte Schaltungsmasse, erzeugt. Diese Versorgungsgleichspannung dient zur Speisung der Komponenten der erfindungsgemäßen Lampen-Steuerschaltung.

Die erfindungsgemäße Lampen-Dimmerschaltung weist weiterhin einen Nulldurchgangsbzw. Polaritätsdetektor 4 auf, dessen beide Eingänge mit dem Netzspannungseingangsanschluß L und dem Ausgangsanschluß 15 verbunden sind. Zwischen den Eingängen des Polaritätsdetektors 4 liegt somit die an der Reihenschaltung der Feldeffekttransistoren 13, 13' (und gegebenenfalls 16, 16') abfallende Spannung an, die sinusförmig (mit Oberwellen) schwankt. Diese Spannung wird in eine Rechteckspannung umgewandelt, deren Flankenwechsel bei den Nulldurchgängen der eingangsseitig anliegenden Spannung auftreten. Diese Rechteckspannung wird einem Steuereingang der Pulsweitenmodulationsschaltung 6 zugeführt, die als Reaktion auf die Flankenwechsel entsprechende Einschaltsignale für die Feldeffekttransistoren 13, 13' erzeugt. Damit werden die Feldeffekttransistoren 13, 13' stets nur dann eingeschaltet, wenn an ihnen gerade keine Spannung abfällt.

Die erfindungsgemäße Lampen-Dimmerschaltung weist weiterhin einen Nulldurchgangsdetektor 5 für die Netzspannung auf, dessen Eingänge mit dem Netzspannungseingangsanschluß L und dem Nulleiteranschluß N verbunden sind. Der Nulldurchgangsdetektor 5 setzt die eingangsseitige Sinusspannung in eine Rechteckspannung um, deren Flankenwechsel bei den Nulldurchgängen der eingangsseitigen Sinusspannung liegen. Dieses Ausgangsrechtecksignal des Nulldurchgangsdetektors 5 wird an die Pulsweitenmodulationsschaltung 6 angelegt, die den Abschaltphasenwinkel in Abhängigkeit von dem jeweils eingestellten

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Dimmgrad auf den Netzspannungsnulldurchgang bezieht, das heißt beispielsweise bei 120° Netzspannungs-Phasenwinkel die Feldeffekttransistoren 13, 13' abschaltet. Das Ausgangssignal der Pulsweitenmodulationsschaltung 6 wird den Gates der Feldeffekttransistoren 13, 13' über die Gate-Schutzschaltungen 7, 7' zugeführt. Die Pulsweitenmodulationsschaltung 6 synchronisiert somit die Einschaltung der Feldeffekttransistoren 13, 13' mit den Nulldurchgängen des Spannungsabfalls zwischen den Anschlüssen L und 15, wohingegen das Abschalten mit den Netzspanmmgs-Nulldurchgängen (mit Dimmgrad-abhängiger Vorverlagerung des Abschalt-Phasenwinkels vor den Nulldurchgängen) synchronisiert ist.

Bei der erfindungsgemäßen Dimmerschaltung ist weiterhin eine Startschaltung 9 vorgesehen, die beim Einschalten der Lampe aktiv ist und für ein vorbestimmtes Zeitintervall von beispielsweise 1 bis 15 Minuten, vorzugsweise 3 Minuten, der Pulsweitenmodulationsschaltung 6 ein Ausgangssignal zuführt, das diese zu maximal langer, insbesondere kontinuierlicher Erregung der Feldeffekttransistoren 13, 13' veranlaßt. Während dieser Anfangsphase findet somit keine Dimmung statt, sondern es wird maximale Leistung zu der oder den an den Anschluß 15 angeschlossenen Lampen gespeist. Die Lampe wird somit nach der Zündung mit maximaler Leistung rasch bis zur Betriebstemperatur aufgeheizt. Wenn das Ausgangssignal der Startschaltung 9 abgeklungen ist, führt die Pulsweitenmodulationsschaltung 6 die Pulsweitenmodulation in Abhängigkeit von dem eingestellten Dimmgrad aus, wobei allmählich auf den neuen Sollwert übergegangen wird.

Bei der erfindungsgemäßen Lampen-Dimmerschaltung kann weiterhin eine Zündsperrschaltung 10 vorgesehen sein, die beispielsweise einen autarken Zeitgeber aufweist und beim Ausschalten der Lampe gestartet wird. Die Zündsperrschaltung ist auf ein bestimmtes Zeitintervall von beispielsweise 5 bis 20 Minuten, vorzugsweise etwa 15 Minuten, eingestellt und blockiert während dieses Zeitintervalls die Pulsweitenmodulationsschaltung 6. Wenn während dieses Zeitintervalls versucht wird, die Lampe einzuschalten, sperrt die blockierte Pulsweitenmodulationsschaltung 6 jegliche Erregung der Feldeffekttransistoren 13, 13', so daß kein Stromfluß zur Lampe möglich ist. Die Lampe wird sich somit zwangsweise abkühlen. Erst nach Ablauf des in der Zündsperrschaltung eingestellten

Claims (14)

Gerhard Wittmann 7 WS0309 Ansprüche

1. Lampen-Dimmerschaltung mit einem ,Netzspannungseingangsanschluß (L) und einem Ausgangsanschluß (15), an den eine Lampe oder ein mit der Lampe verbindbares elektrisches Bauteil anschließbar ist, und mit einer steuerbaren Schaltungselementanordnung (13, 13'), die zwischen den Netzspannungseingangsanschluß (L) und den Ausgangsanschluß (15) geschaltet ist und mindestens ein steuerbares Schaltelement enthält, das intermittierend geschaltet, insbesondere durch Pulsweitenmodulation gesteuert, wird.

2. Lampen-Dimmerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungselementanordnung eine Reihenschaltung mit zwei in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern, insbesondere Feldeffekttransistoren (13, 13'), enthält, die den Stromfluß abwechselnd bei jeder Halbwelle steuern.

3. Lampen-Dimmerschaltung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Detektorschaltung (4), die Nulldurchgänge oder die Polarität der an der Reihenschaltung abfallenden Spannung erfaßt und ein entsprechendes Ausgangssignal an eine Pulsweitenmodulationsschaltung (6) abgibt.

4. Lampen-Dimmerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsweitenmodulationsschaltung (6) ein Einschaltsignal an die Feldeffekttransistoren (13, 13') bei Erfassen der Nulldurchgänge der an der Reihenschaltung abfallenden Spannung abgibt.

5. Lampen-Dimmerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsweitenmodulationsschaltung (6) das Einschaltsignal bei einem bestimmten, veränderbaren Phasenwinkel, bezogen auf den Netzspannungs-Nulldurchgang, abschaltet.

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6. Lampen-Dimmerschaltung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine Schutzschaltung (8), die den Stromfluß durch das oder die Schaltelemente mißt und bei Überstrom den Stromfluß begrenzt oder reduziert.

7. Lampen-Dimmerschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch eine Gate-Schutzschaltung (7, 7'), die die maximale Gatespannung des oder der Feldeffekttransistoren (13, 13') begrenzt.

8. Lampen-Dimmerschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsweitenmodulationsschaltung (6) mit einer Startschaltung (9) verbunden ist, die die Pulsweitenmodulationsschaltung (6) beim Einschalten der Lampe zur maximalen Leistungsspeisung für ein bestimmtes Zeitintervall steuert.

9. Lampen-Dimmerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Zündsperrschaltung (10), die beim Abschalten der Lampe aktiviert wird und das Wiedereinschalten für ein bestimmtes Zeitintervall sperrt.

10. Lampen-Dimmerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Sollwertgeber (2) zur Einstellung des Dimmgrads.

11. Lampen-Dimmerschaltung nach Ansprach 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertgeber (2) einen Spannungs- und/oder Widerstandseingang mit galvanischer Entkopplung aufweist.

12. Lampen-Dimmerschaltung nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch eine Maximal wert-Vorgabeschaltung (11) und/oder eine Minimalwert-Vorgabeschaltung (12) zur Begrenzung des Maximalwerts und/oder Minimalwerts des vom Sollwertgeber (2) abgegebenen Sollwerts.

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13. Lampen-Dimmerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Nulldurchgangsdetektor (5), dessen Ausgang mit der PuIsweitenmodulationsschaltung (6) zur Signalisierung der Netzspannungs-Nulldurchgänge verbunden ist.

14. Lampen-Dimmerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mit dem Netzspannungseingangsanschluß (L) verbundenen Gleichspannungsgenerator (3) zur Spannungsspeisung der Funktionskomponenten der Lampen-Dimmerschaltung.