DE10122923A1

DE10122923A1 - Dimmer

Info

Publication number: DE10122923A1
Application number: DE2001122923
Authority: DE
Inventors: Friedrich Vogt; Werner Schmid; Martin Klett
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2021-05-12
Also published as: DE10122923B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dimmer, insbesondere zur Steuerung der Helligkeit von Beleuchtungseinrichtungen, der nachstehende Schalt- und Steuerungsmittel sowie ein Filter vierter Ordnung bildende Entstörmittel enthält: DOLLAR A eine Reihenschaltung eines ersten Triacs (Tr1) und einer ersten Entstördrosselspule (L1) und einen zu dieser Reihenschaltung parallel geschalteten Entstörkondensator (C1), einen zweiten Triac (Tr2), der dem ersten Entstörkondensator (C1) parallel geschaltet ist, eine mit dieser Anordnung in Reihe geschaltete zweite Entstördrosselspule (L2), einen zweiten Entstörkondensator (C2), der zur Reihenschaltung von zweitem Triac (Tr2) und zweiter Entstördrosselspule (L2) parallel geschaltet ist, und eine Steuerung zur Ansteuerung der beiden Triacs (Tr1, Tr2). Die Steuerung ist dafür eingerichtet, den zweiten Triac (Tr2) jeweils zu einem Zeitpunkt (t2) einzuschalten, der gegenüber dem Einschaltzeitpunkt (t1) für den ersten Triac (Tr1) verzögert ist, wobei die Steuerung außerdem dafür eingerichtet ist, die Verzögerung abhängig vom jeweils durch die Dimmereinstellung vorgegebenen Steuerwinkel zu bilden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dimmer, insbesondere zur Steuerung der Hel ligkeit von Beleuchtungseinrichtungen.

Ein Dimmer ist ein an einem Wechselspannungsnetz betreibbarer elektronischer Schalter, der periodisch und mit einstellbarer Verzögerung - bezogen auf den Netz strom- oder Netzspannungs-Nulldurchgang - einen Stromfluss durch eine Last er möglicht oder unterdrückt.

Dazu sind im Dimmer prinzipiell zwei Schaltungsteile erforderlich, nämlich Schalte lemente zur Steuerung des Laststromes, wofür Triacs oder MOSFETs am weitesten verbreitet sind, und eine Steuerschaltung, die den Schaltzeitpunkt bezogen auf den Netzstrom- und/oder Netzspannungs-Nulldurchgang ermittelt und einen Schaltimpuls erzeugt.

Weitverbreitet und kostengünstig sind insbesondere Triacs als Schaltelement. Triacs sind Halbleiterschaltglieder, die mittels eines Zündimpulses leitend gemacht werden können, und bei Unterschreitung eines durch das Bauteil bestimmten Hal testromes wieder gelöscht werden, d. h. in den sperrenden Zustand zurückfallen, und erst durch einen erneuten Zündimpuls wieder leitend gemacht werden können. Bei Wechselspannungsbetrieb bedeutet dies, dass im Stromnulldurchgang der Triac au tomatisch sperrend wird. Bei ohmschen Lasten, die keine Phasenverschiebung er zeugen sind Stromnulldurchgang und Spannungsnulldurchgang identisch. Der Zündimpuls wird vorzugsweise über ein RC-Glied erzeugt, dessen Zeitkonstante mittels eines Potentiometers verändert und somit der Zündzeitpunkt des Triacs vari iert werden kann. Bedingt durch das Ein- und Ausschaltverhalten lässt sich mit Triacs nur ein Phasenanschnittbetrieb, also kein Phasenabschnittbetrieb realisieren.

Nachteilig wirkt sich bei Verwendung eines Triacs die damit verbundene steile Ein schaltflanke des Stromes aus, die einen erheblichen Oberwellenanteil verursacht und damit ein Störspektrum erzeugt; denn anders als bei Transistoren lässt sich diese Einschaltflanke nicht durch eine geeignete Ansteuerung kontrollieren. Bezüglich des Störspektrums sind in europäischen Normen Grenzwerte festgelegt, die nicht über schritten werden dürfen. Die Einhaltung der Funkstörspannungsgrenzen erfordert einen Filteraufwand im Dimmer, z. B. in Form eines Tiefpasses, der üblicherweise mit einer Drosselspule in Reihe zum Triac, sowie eines Kondensators parallel zu dieser Reihenschaltung aus Drosselspule und Triac, realisiert wird.

Eine entsprechende typische Schaltung zeigt Fig. 2, wobei eine Last R aus einem Wechselspannungsnetz L, N unter Zwischenschaltung eines Dimmers, der einen Ausgang L' aufweist, gespeist wird. Der Dimmer enthält eine Reihenschaltung eines ersten Triacs Tr1 und einer ersten Drosselspule L1, wobei der Triac Tr1 mittels einer Steuerung angesteuert wird, und der Reihenschaltung ein Kondensator C2 parallel geschaltet ist.

Der Laststrom fließt bei einer solchen Schaltung sowohl durch das Schaltelement, also den Triac, als auch durch die Drosselspule. Es wird dabei eine Verlustleistung erzeugt, die proportional zum Laststrom ist und die zu einer Erwärmung des Dim mers führt. Dies stellt insbesondere bei Unterputzgeräten ein erhebliches. Problem dar, da die Verlustwärme aufgrund der Einbausituation nur schlecht nach außen ab geführt werden kann. Da die Verlustleistung außerdem proportional der angeschlos senen Leistung ist, ist die maximale Anschlussleistung von herkömmlichen Unter putzdimmern wegen der begrenzten Wärmeabfuhrmöglichkeit auf etwa 600 W be grenzt.

Eine Erhöhung der Anschlussleistung ist deshalb nur mittels einer verbesserten Wärmeabgabe oder einer verringerten Verlustleistung erreichbar. Eine bessere Wärmeabgabe ließe sich mittels entsprechender Kühlkörper realisieren, was sich aber bei einem Dimmer für den Einbau in eine Standard-Unterputzdose praktisch verbietet. Ebenso ist zu beachten, dass sich im Fall einer höheren Anschlussleistung auch die mechanischen Abmessungen der erforderlichen Drosselspule vergrößern, da diese für einen höheren Nennstrom ausgelegt werden muss.

Aus DE-A-21 31 750 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, mit der angestrebt wird, die Verlustleistung in der Drosselspule zu reduzieren, indem die Drosselspule nach dem Einschaltvorgang überbrückt wird. Dabei liegt die Überlegung zugrunde, daß die Drosselspule lediglich im Einschaltmoment zur Tiefpassfilterung erforderlich ist.

Eine Schaltungsanordnung gemäß diesem Prinzip zeigt Fig. 3. Die Schaltung enthält in Ergänzung zur bereits beschriebenen Schaltung gemäß Fig. 2 einen zweiten Triac Tr2, der parallel zur Reihenschaltung von erstem Triac Tr1 und Drosselspule L1 ge schaltet ist, und durch die Steuerung angesteuert wird. Der zweite Triac Tr2 wird mit einer festen Verzögerungszeit nach dem ersten Triac Tr1 gezündet und übernimmt den Laststrom. Die Verzögerungszeit ist so gewählt, daß zum Zeitpunkt des Zündens des zweiten Triacs Tr2 die Einschwingvorgänge des ersten Triacs Tr1 bereits abge klungen sind. Das Zünden des 2. Triacs erzeugt zwar ebenfalls Störspannungen, doch sind diese deutlich geringer, da lediglich der Spannungsabfall über der Dros selspule L1 und dem ersten Triac Tr1 geschaltet wird.

Eine mögliche Abwandlung der Schaltung ist in Fig. 4 angegeben. Die Änderung ge genüber der in Fig. 3 dargestellten Schaltung besteht darin, daß eine zweite Drossel spule L2 so angeordnet ist, daß sie zusammen mit dem Kondensator C2 einen Tief paß zur Reduzierung der vom zweiten Triac Tr2 erzeugten Funkstörspannung bildet. Die zweite Drosselspule L2 kann für eine vergleichsweise kleine Induktivität ausge legt werden, gerade ausreichend, um die vom zweiten Triac Tr2 erzeugte Funkstör spannung unterhalb der geforderten Grenzwerte zu halten. Die erste Drosselspule L1 hat eine große Induktivität.

Im Einschaltzeitpunkt des Dimmers, also bei Zündung des ersten Triacs Tr1 wirkt die Reihenschaltung der Drosselspulen L1 und L2 als Gesamtinduktivität Lges = L1 + L2 in dem zusammen mit dem Kondensator C2 gebildeten LC-Tiefpaß. Die Gesamtinduktivität Lges muß bei der Schaltung gemäß Fig. 4 gleich groß sein, wie die Indukti vität der einzelnen Drosselspule L1 der Schaltung gemäß Fig. 3 und Fig. 2, wenn man gleiche Kapazität des Kondensators C2 und gleiche Funkentstörwirkung zu grundelegt. Eine Verkleinerung der Abmessungen der Drosselspulen im Hinblick auf eine angestrebte höhere Dimmerleistung bei Unterputzeinsatz läßt sich somit nicht erreichen.

Untersuchungen haben außerdem gezeigt, daß die Wirksamkeit beider Schaltungen (Fig. 3 und Fig. 4) bezüglich einer erhofften Verlustleistungsreduzierung sehr gering ist, somit auch aus diesem Grund mit den bekannten Maßnahmen keine nennens werte Leistungserhöhung bei Unterputz-Dimmern erzielbar ist. Insbesondere wenn man berücksichtigt, daß bei angestrebten höheren Lastströmen auch erhöhte Stör spannungen erzeugt werden, die wiederum verbesserte Filtereigenschaften erfor dern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Dimmer für Unterputzeinsatz anzugeben, der für eine - im Vergleich zum Stand der Technik - deutlich höhere An schlußleistung ausführbar ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Dimmer gelöst, der die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in weiteren Ansprüchen ange geben.

Mit der Erfindung wird im wesentlichen vorgeschlagen, bei einer Schaltung mit zwei Triacs und zwei Drosselspulen durch Anordnung eines zweiten Kondensators zwei LC-Kreise eines Filters vierter Ordnung zu bilden. Außerdem wird vorgeschlagen, anstelle einer festen Verzögerung zur Ansteuerung des zweiten Triacs eine variable, vom Ansteuerwinkel abhängige Verzögerung vorzunehmen. Die Kombination dieser Maßnahmen ermöglicht - unter Einhaltung der zulässigen Grenzwerte der Funkstör spannungen - eine Erhöhung der Dimmer-Anschlußleistung auf etwa 1000 W.

Eine weitere Beschreibung der Erfindung erfolgt nachstehend anhand der Zeich nungsfiguren.

Es zeigt:

Fig. 1 die Schaltung eines erfindungsgemäßen Dimmers,

Fig. 2 die Schaltung eines handelsüblichen Dimmers

Fig. 3 die Schaltung eines bekannten Dimmers mit zwei Triacs,

Fig. 4 eine Abwandlung der Schaltung gemäß Fig. 3,

Fig. 5 ein Ersatzschaltbild zur Schaltung gemäß Fig. 3 bzw. Fig. 4,

Fig. 6 in bekannten Dimmern benutztes Filter zweiter Ordnung, und

Fig. 7 im erfindungsgemäßen Dimmer benutztes Filter vierter Ordnung.

Die Erfindung geht von einer Analyse der Eigenschaften eines Dimmers gemäß der in Fig. 3 angegeben Schaltung aus. Die gefundenen Ergebnisse gelten in gleicher Weise für die Schaltung gemäß Fig. 4.

Es hat sich gezeigt, daß die Hauptursache für die unbefriedigenden Eigenschaften der Schaltung gemäß Fig. 3 oder Fig. 4 in einer langsamen Stromübernahme vom Zweig mit dem ersten Triac Tr1 und Drosselspule L₁ auf den dazu parallelen Zweig mit dem zweiten Triac Tr2 zu sehen ist.

Dieser Effekt läßt sich anhand des in Fig. 5 gezeigten Ersatzschaltbildes verdeutli chen.

Die Triacs in Fig. 4 sind symbolisch als Schalter S1 bzw. S2 dargestellt, die mittels einer nicht dargestellten Steuereinheit zu Zeitpunkten t1 bzw. t2 geschlossen werden können. Der Schalter S1 liegt in Reihe zu einer Wechselspannungsquelle mit der Spannung U₀, zur Drosselspule L1 mit der Induktivität L₁ und dem ohmschen Wider stand R_L, sowie der angeschlossenen Last mit dem Widerstand R_Last. Der Schalter S1 wird zum Zeitpunkt t1 geschlossen. An der Induktivität L₁ liegt zum Zeitpunkt t1 die Spannung U_L(t1) = U₀(t1) an, da unmittelbar im Einschaltmoment noch kein Strom fließt. Die Spannung U_L(t1) ist gleich der Momentanspannung der Wech selspannungsquelle, z. B. der Netzspannung.

Gemäß der Gleichung

U_L = L.di_L/dt (1)

steigt der Strom mit der Steilheit di_L/dt = U_L(t1)/L₁ an.

Nachdem die Einschwingvorgänge abgeklungen sind, d. h. der Strom den Wert i_L(t) = U₀(t)/R_Last erreicht hat (wobei R_L << R_LAST), fällt an R_L die Spannung U_RL(t) = i_L(t).R_L ab.

Wird zum Zeitpunkt t2 < t1 der Schalter S2 geschlossen, so muss gelten: U_L1 + U_RL = 0, d. h. über der Induktivität L₁ liegt die Restspannung -U_RL an. Nach Gleichung (1) bedeutet dies eine Stromänderung di_L/dt = U_L1(t2)/L₁. Da die Induktivität L₁ unverän dert bleibt und U_L1(t1) << U_L1(t2) ist, bedeutet das, dass der Strom durch die Drossel spule deutlich langsamer abfällt als er angestiegen ist. Dieser - hier langsame - Übergang (Kommutierung) auf den Parallelzweig sollte aber im Sinne einer geringen Verlustleistung so schnell wie möglich erfolgen. Dazu besteht die Möglichkeit, die Restspannung durch Erhöhung des ohmschen Drosselwiderstandes R_L anzuheben, was aber der ursprünglichen Absicht die Verluste zu reduzieren entgegen wirken würde. Es bleibt somit der Weg, die Induktivität L₁ - unter Beibehaltung der gefor derten Filtereigenschaften - deutlich zu verkleinern.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß anstelle eines LC-Tiefpasses zweiter Ordnung ein Filter vierter Ordnung verwendet wird, das deutlich bessere Se lektionseigenschaften aufweist, die zudem besser auf die geforderte Grenzkurve an gepasst werden können. Das Filter vierter Ordnung wird auf sehr einfache Weise, nämlich durch einfügen eines weiteren Kondensators, nämlich des in Fig. 1 darge stellten Kondensators C1 geschaffen. Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung mit einem Filter vierter Ordnung. Die Induktivität der Drosselspule L1 kann in einer solchen Anordnung erheblich kleiner gewählt werden als in einer Anordnung gemäß Fig. 3 oder Fig. 4, während die Induktivität L2 den auch für eine Anordnung gemäß Fig. 4 gültigen Wert beibehält. Das Verhältnis von L₁/L₂ reduziert sich dadurch von ca. 15 auf ca. 5. Die Stromkommutierung wird deutlich beschleunigt und die Verlust leistung reduziert. Zusätzlich werden die geometrischen Abmessungen deutlich re duziert.

Die erwähnten unterschiedlichen Filter sind in den Zeichnungsfiguren 6 und 7 darge stellt. Fig. 6 zeigt das in den Schaltungen gemäß Fig. 3 bzw. Fig. 4 enthaltene Filter zweiter Ordnung. Fig. 7 das in der erfindungsgemäßen Schaltung gemäß Fig. 1 ent haltene Filter vierter Ordnung.

Die Dimensionierung des Filters orientiert sich an der in den Normen vorgeschriebe nen Grenzwertkurve. Die Grenzwerte sind festgelegt für den Bereich 9 kHz bis 30 MHz und die Kurve verläuft nicht linear, sondern enthält einige Sprungstellen an de nen sich der Grenzwert sprungartig ändert. Dies sind in der Regel die kritischen, nur mit erheblichem Aufwand einzuhaltenden Punkte. Mit dem verwendeten Filter vierter Ordnung kann man die Dämpfungsfunktion über die Frequenz besser diesen Erfor dernissen anpassen, als mit einem Filter zweiter Ordnung. Die Filterelemente können daher hinsichtlich der o. g. Erfordernisse optimiert werden.

Eine weitere Verlustleistungsreduzierung wird erfindungsgemäß durch eine dynami sche Ansteuerung der Triacs erreicht. Damit ist eine variable Steuerung der Verzöge rungszeit zwischen dem Zünden des ersten und des zweiten Triacs gemeint. Es versteht sich, dass die Verzögerungszeit möglichst klein sein muss, um die Strombelastung in der Drosselspule gering zu halten. Ein zu frühes Zünden des zweiten Triacs würde jedoch dazu führen, dass die Spannung über den Anoden des zweiten Triacs noch nicht abgebaut ist und deshalb eine zu hohe Spannung ge schaltet wird, was zu einer Erhöhung der Funkstörspannung des zweiten Triacs füh ren würde, die zu der Funkstörspannung des ersten Triacs quasi hinzuaddiert wer den muss.

Diese Störspannungen des ersten Triacs sind abhängig vom Steuerwinkel. Unter Steuerwinkel versteht man die Verschiebung des Einschaltzeitpunktes t1 gegenüber dem Spannungsnulldurchgang der Wechselspannung. Bei kleinen Steuerwinkeln bzw. dadurch gegeben großen Stromflusszeiten ist das Störspektrum gering. Eine Erhöhung der Funkstörspannung kann bei kleinen Steuerwinkeln - bei gleichzeitiger Einhaltung der Grenzkurve - in Kauf genommen werden. Die Verzögerungszeit kann also bei kleinen Steuerwinkeln zugunsten einer geringen Strombelastung der Dros selspule - im Vergleich zur bekannten Anordnung und Betriebsweise - verringert werden.

Bei kleineren Stromflusszeiten sind die Verhältnisse jedoch genau umgekehrt. We gen des dabei entstehenden hohen Störspektrums darf auf keinen Fall zu früh ge zündet werden. Die Verzögerungszeit wird deshalb - gegenüber dem standardmäßi gen Betrieb mit fester Verzögerungszeit - vergrößert. Die dadurch erhöhte Strombe lastung bzw. Verlustleistung der im verwendeten Filter relativ kleinen Drosselspule kann hingenommen werden. Bei einer bevorzugten Ausführung des Dimmers wird die Verzögerungszeit abhängig vom Anschnittwinkel, also dem Steuerwinkel mittels eines Mikrocontrollers gebildet. Es läßt sich auf diese Weise ein optimaler Kompro miss zwischen sowohl kleiner Funkstörspannung als auch geringer Verlustwärme erzielen.

Claims

1. Dimmer, insbesondere zur Steuerung der Helligkeit von Beleuchtungseinrich tungen, der nachstehende Schalt- und Steuerungsmittel, sowie ein Filter vierter Ord nung bildende Entstörmittel enthält:

a) eine Reihenschaltung eines ersten Triacs (Tr1) und einer ersten Entstördros selspule (L1) und einen zu dieser Reihenschaltung parallel geschalteten Ent störkondensator (C1),
b) einen zweiten Triac (Tr2), der dem ersten Entstörkondensator (C1) parallel ge schaltet ist,
c) eine mit dieser Anordnung in Reihe geschaltete zweite Entstördrosselspule (L2),
d) einen zweiten Entstörkondensator (C2), der zur Reihenschaltung von zweitem Triac (Tr2) und zweiter Entstördrosselspule (L2) parallel geschaltet ist, und
e) eine Steuerung zur Ansteuerung der beiden Triacs (Tr1, Tr2), die dafür einge richtet ist, den zweiten Triac (Tr2) jeweils zu einem Zeitpunkt (t2) einzuschal ten, der gegenüber dem Einschaltzeitpunkt (t1) für den ersten Triac (Tr1) ver zögert ist, wobei die Steuerung außerdem dafür eingerichtet ist, die Verzöge rung abhängig vom jeweils durch die Dimmereinstellung vorgegebenen Steuer winkel zu bilden.

2. Dimmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung einen Mikroprozessor enthält.

3. Dimmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität der ersten Drosselspule (L1) größer als die der zweiten Drosselspule (L2) ist, wobei das Induktivitätsverhältnis (L₁/L₂) der ersten zur zweiten Drosselspule vorzugsweise etwa 5 ist.

4. Dimmer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung dafür eingerichtet ist, eine - im Vergleich zu einem Standardbetrieb mit fester Verzögerungszeit - kürzere Verzögerungszeit für das Einschalten des zweiten Triacs (Tr2) bei kleinen Steuerwinkeln einzustellen, und eine - im Vergleich zu einem Standardbetrieb mit fester Verzögerungszeit - längere Verzögerungszeit für das Einschalten des zweiten Triacs (Tr2) bei großen Steuerwinkeln einzustellen.