PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69934353T2 12.07.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000952680
Titel Übertragung eines Betriebsartsignals über eine Wechselspannungsversorgungsleitung
Anmelder STMicroelectronics S.A., Montrouge, FR
Erfinder Bardouillet, Michel, 13790 Rousset, FR
Vertreter WAGNER & GEYER Partnerschaft Patent- und Rechtsanwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69934353
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 16.04.1999
EP-Aktenzeichen 994100360
EP-Offenlegungsdatum 27.10.1999
EP date of grant 13.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.07.2007
IPC-Hauptklasse H04B 3/54(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H02J 13/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft die Übertragung einer Information über eine Wechselstromspeise- bzw. -versorgungsleitung einer Verbraucherlast mit kapazitiver Eingangsimpedanz. Die Erfindung betrifft näherhin die Übertragung einer Betriebsvorschrift bzw. -steuergröße an eine Schaltung zur Speisung bzw. Stromversorgung einer Verbraucherlast aus einer durch Gleichrichtung einer Wechselspannung erhaltenen annähernden Gleichspannung.

1 zeigt in sehr schematischer Weise die elektrische Schaltverbindung eines Systems 1 zur Speisung bzw. Stromversorgung einer Verbraucherlast 2 (Q) ausgehend von einer Wechselspannung Vin, wobei das System mit einer Gleichrichtbrücke 5 für die Spannung Vin und mit einer Schaltung 4 zur Speisung bzw. Stromversorgung der Verbraucherlast 2 auf der Grundlage einer annähernden Gleichspannung Vout versehen ist. Die Spannung Vout wird an den Anschlüssen eines Kondensators C abgenommen, der eine gleichgerichtete Ausgangswechselspannung der Brücke 5 zugeführt erhält.

Die Eingangsspannung Vin des Systems 1 ist eine Wechselspannung, die beispielsweise von einer Änderungsvorrichtung (Variator) 3 einer Speise- bzw. Versorgungswechselspannung Vac, beispielsweise der Netzspannung, herkommt.

Wenn man die Speise- bzw. Versorgungsleistung einer Verbraucherlast mit Ohm'scher Eingangsimpedanz zu variieren wünscht, verwendet man im allgemeinen einen Variator mittels Phasenwinkel oder mittels Phasenwinkelanschnitt, zur Modulation der an die Verbraucherlast 2 übertragenen Leistung.

Wenn ein derartiger Phasenwinkel-Variator sich gut für Anwendungen eignet, in welchen die Verbraucherlast 2 vom Ohm'schen Typ ist und keine Speisung bzw. Versorgung auf der Grundlage einer Gleichspannung erfordert, im Gegensatz zu dem in 1 dargestellten, so stellt ein derartiger mittels Phasenwinkel arbeitender Variator vor mehrfache Probleme im Falle einer Verbraucherlast mit kapazitiver Eingangsimpedanz.

Ein erstes Problem ist, dass – damit die Phasenwinkeländerung sich in eine Änderung der Leistung der Verbraucherlast 2 übersetzt – die annähernde Gleichspannung Vout den an die Phasenwinkeländerung geknüpften Leistungsänderungen folgen muss. Daraus ergibt sich, dass sich für die zur Speisung bzw. Stromversorgung der Verbraucherlast 2 dienende Schaltung 4 eine Änderung ihrer eigenen Speisung bzw. Stromversorgung ergibt, was Funktionsstörungen infolge der Stromversorgungsbedürfnisse der Bauteile dieser Schaltung 4 hervorrufen kann. Falls beispielsweise die Schaltung 4 einen Wandler mit Anschnittumschaltung zur Speisung einer aus einer Fluoreszenzlampe bestehenden Verbraucherlast 2 darstellt, beeinträchtigt eine Variation der Spannung Vout die richtige Funktions- und Betriebsweise des Wandlers mit Anschnittsteuerung.

Außerdem hat eine Anschnittumschaltung in der Ladezone eines die Eingangsimpedanz bildenden Kondensators einen hohen Effektivstrom zur Folge, was nicht erwünscht ist.

Daher verwendet man für Verbraucherlasten mit einer kapazitiven Eingangsimpedanz herkömmlicherweise andere Mittel als Änderung mittels Phasenwinkel zur Einwirkung auf den Betrieb des Systems 1.

In einer herkömmlichen Schaltung 4, wie sie in 1 wiedergegeben ist, erfolgt die Leistungsvariierung im allgemeinen auf der Grundlage einer analogen Niederspannungs-Eingangsgröße E der Schaltung 4. Das an dem Anschluss E angelegte Signal dient beispielsweise bei Anwendung auf eine Fluoreszenzlampe zur Modifizierung der Frequenz des durch den Wandler mit Anschnittsteuerung gelieferten Wechselstroms derart, dass sich die Lichtintensität ändert. Dieser Anschluss E zur Steuerung einer Abstufung der Lichtintensität ist zur Steuerung durch einen externen Variator 3 bestimmt, welcher eine im allgemeinen zwischen 0 und 5 V liegende und zu der gewünschten Lichtintensität proportionale Steuerspannung festlegt.

Ein Hauptnachteil dieser Variationslösung besteht in der Notwendigkeit, über eine Niederspannungsverbindung zwischen dem System 1 zur Steuerung der Verbraucherlast 2 (hier eine Fluoreszenzlampe) und einem im allgemeinen entfernt gelegenen mechanischen Potentiometer-Schalter (Variator 3) verfügen muß. Wie 1 veranschaulicht, muss man zusätzlich zu den beiden Leitern 8, 9 (Phasen- und Neutral-Leiter) der Wechselstromversorgung Vin tatsächlich zwei Niederspannungsleiter (gestrichelt angedeutete Verbindungen 7) zwischen einem eine Abstufungsvorrichtung enthaltenden Schalter 3 und dem elektronischen Steuersystem 1 für die Verbraucherlast 2 vorsehen.

Eine andere herkömmliche Lösung zur Übertragung einer Vorgabe- bzw. Steuergröße für die Lichtintensität an eine Schaltung 4 zur Steuerung der Stromzufuhr an die Verbraucherlast besteht in der Vornahme einer Modulation des Trägerstroms, d. h. in einer Modulation des Speise- bzw. Versorgungswechselstroms durch ein Hochfrequenzsignal, welches die Lichtintensitäts-Vorgabe- bzw. -Steuergröße überträgt. Eine derartige Lösung erfordert auf Seiten der Gradations- oder Abstufungsvorrichtung 3 ein (nicht dargestelltes) System zur Modulation des Trägerstroms für die Übertragung der Vorgabe- bzw. Steuergröße und auf Seiten des Systems 1 einen (nicht dargestellten) Demodulator mit der Aufgabe, die Vorgabe- bzw. Steuergröße für die Leistung der Wechselstromversorgung zu extrahieren.

Eine derartige Lösung besitzt den Vorteil, dass sie den Rückgriff auf eine zusätzliche Leitungsverbindung 7 erübrigt. Jedoch hat sie den Nachteil, dass sie in der Ausführung besonders komplex und kostspielig ist.

Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung einer neuen Lösung für die Übertragung einer Vorgabe- bzw. Steuergröße an eine Stromversorgungsschaltung für eine Verbraucherlast, welche die Nachteile der bekannten Lösungen vermeidet.

Die Erfindung bezweckt insbesondere die Schaffung einer einfachen Lösung, welche keine zusätzliche Leitungsverbindung zwischen dem Steuerelement (dem Variator 3) und der Speise- bzw. Stromversorgungsschaltung für die Verbraucherlast erfordert.

Die Erfindung bezweckt näherhin die Schaffung eines Systems zur Gewinnung und Erfassung einer Vorgabe- bzw. Steuergröße, welche von einer Variation mittels Phasenwinkelanschnitt einer Speise- bzw. Versorgungs-Wechselspannung herrührt, innerhalb einer Schaltung zur Speisung bzw. Stromversorgung der Verbraucherlast auf der Grundlage einer durch Gleichrichtung dieser Wechselspannung erhaltenen annähernden Gleichspannung.

Allgemeiner gesprochen betrifft die vorliegende Erfindung die Schaffung eines Übertragungssystems, welches die Übertragung einer beliebigen analogen Vorgabe- bzw. Steuergröße gestattet, unter Verwendung der Speise- bzw. Versorgungs-Wechselspannung als Träger für die Übertragung und ohne dass ein Rückgriff auf ein Emissions/Empfangs-System mittels Hochfrequenzmodulation erforderlich wird.

Zur Erreichung dieser Ziele sieht die vorliegende Erfindung vor die Schaffung einer Stromversorgungsschaltung für eine Verbraucherlast auf der Grundlage einer durch Gleichrichtung einer Wechselspannung erhaltenen annähernden Gleichspannung, wobei die Schaltung umfasst: Mittel, um aus der gleichgerichteten Wechselspannung eine Information in Gestalt einer Funktion einer Änderung des Phasenwinkels der Wechselspannung zu ge-winnen, sowie ein Mittel, um die annähernde Gleichspannung für die Stromversorgung der Last unabhängig von der genannten Phasenwinkeländerung der Wechselspannung zu machen.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die genannte gleichgerichtete Wechselspannung zwischen zwei Anschlüssen, einem positiven und einem negativen, geliefert, wobei die Schaltung umfasst: ein Element mit unidirektionaler Leitfähigkeit zwischen dem positiven Anschluss und einem ersten Anschluss eines Kondensators, an dessen Anschlüssen die annähernde Gleichspannung für die Stromversorgung der Verbraucherlast abgenommen wird, sowie zwischen dem genannten positiven und negativen Anschluss eine Spannungsteilerbrücke, welche eine der gleichgerichteten Spannung proportionale Niedrigspannung liefert.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Schaltung ein Mittel zur Integration der niedrigen Gleichrichtspannung auf, zur Bildung einer niedrigen Analogspannung als Funktion des Phasenwinkels der Wechselspannung.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Änderung des Phasenwinkels der Wechselspannung höchstens über eine halbe Halbperiode und außerhalb der Aufladungsperioden des Kondensators erfolgt.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die genannte Information eine Betriebsvorgabe für einen zur Steuerung der Verbraucherlast bestimmten Energiewandler ist.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Phasenwinkeländerung der Wechselspannung zwischen 50 % und 100 % mittels eines Variators mit Phasenwinkelanschnitt erfolgt.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Verbraucherlast eine Fluoreszenzlampe ist.

Die Erfindung sieht des weiteren vor ein Verfahren zur Übertragung einer Information über eine Wechselstrom-Versorgungsleitung einer Stromversorgungsschaltung für eine Verbraucherlast mit kapazitiver Eingangsimpedanz, mit einem Kondensator, der eine annähernde Gleichspannung liefern kann, wobei das Verfahren auf der Übertrager- bzw. Senderseite im Variieren des Phasenwinkels der Wechselspannung über höchstens eine halbe Halbperiode und außerhalb der Aufladungsperioden des Kondensators besteht sowie auf der Empfangsseite im Abtrennen der den Phasenwinkel betreffenden Information stromaufwärts des Kondensators.

Diese sowie weitere Ziele, Gegenstände, Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden nichteinschränkenden Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele im einzelnen auseinandergesetzt, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren; in diesen zeigen:

die bereits beschriebene 1 dient zur Darlegung des Standes der Technik und der Problemstellung,

2 eine Ausführungsform einer Schaltung zur Speisung bzw. Stromversorgung einer Last auf der Grundlage einer durch Gleichrichtung einer Wechselspannung erhaltenen annähernden Gleichspannung, gemäß der vorliegenden Erfindung,

3 eine erste Ausführungsform eines Mittels bzw. einer Vorrichtung zur Übertragung einer analogen Vorgabe- bzw. Steuergröße, gemäß der vorliegenden Erfindung,

4A bis 4F jeweils in Form von Zeitdiagrammen die Funktions- bzw. Betriebsweise der Schaltung von 2 unter Verwendung eines Übertragungsmittels der in 3 gezeigten Art,

5A eine erste Ausführungsform eines Integrationsmittels der Schaltung von 2,

5B eine zweite Ausführungsform des Integrationsmittels der Schaltung von 2,

6 eine zweite Ausführungsform eines Mittels bzw. einer Vorrichtung zur Übertragung einer analogen Vorgabe- bzw. Steuergröße, gemäß der vorliegenden Erfindung,

7A bis 7C jeweils in Form von Zeitdiagrammen die Arbeits- und Funktionsweise der Schaltung von 2 bei Verwendung eines Übertragungsmittels der in 6 dargestellten Art,

8 ein erstes Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zur Variation der Leuchtintensität einer Fluoreszenzlampe, sowie

9 ein zweites Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für eine Drehzahlsteuerung eines Motors.

Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Zeichnungsfiguren mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Aus Gründen der Klarheit und Übersichtlichkeit sind nur die für das Verständnis der Erfindung notwendigen Elemente in den Zeichnungsfiguren dargestellt und im folgenden beschrieben.

Ein charakteristisches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer Phasenwinkeländerung der Speise-Wechselspannung zur Übertragung einer analogen Information an eine Speise- bzw. Versorgungsschaltung für eine Last auf der Grundlage einer durch Gleichrichtung der Wechselspannung erhaltenen annähernden Gleichspannung, ohne Änderung der für die Speise- bzw. Versorgungsschaltung der Last verwendeten annähernden Gleichspannung.

2 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltung zur Speisung bzw. Stromversorgung einer Last mit kapazitiver Eingangslast, gemäß der vorliegenden Erfindung.

Diese Schaltung weist in herkömmlicher Weise eine Diodenbrücke 5 auf, deren beiden Eingangsanschlüsse mit zwei Anschlüssen 10, 11 zum Anlegen einer Wechselspannung Vin verbunden sind.

Gemäß der Erfindung entspricht die Wechselspannung Vin einer Speise-Wechselspannung, beispielsweise der Netzspannung Vac, die einem Phasenwinkelanschnitt unterworfen wurde.

Ein erster Gleichricht-Ausgangsanschluss 12 der Brücke 5 bildet einen Masse-Anschluss der Schaltung 1'. Ein zweiter Gleichricht-Ausgangsanschluss 13 der Brücke 5 soll wie in einer herkömmlichen Schaltung mit Hilfe eines Kondensators C einer zur Speisung bzw. Stromversorgung einer (nicht dargestellten) Last dienenden Schaltung 4 eine annähernde Speise-Gleichspannung Vout zuführen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die zwischen den Anschlüssen 13 und 12 abgenommene Ausgangsspannung Vr der Brücke 5 an die beiden Enden einer Spannungsteilerbrücke angelegt, die aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen R1, R2 besteht. Gemäß der Erfindung soll die Teilerbrücke aus der gleichgerichteten Wechselspannung eine Niederspannung Vpa ableiten, die eine Funktion des Phasenwinkels der Spannung Vin ist.

Ein weiteres charakteristisches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist eine zwischen den Gleichricht-Anschlüssen 13 und 12 in Reihe mit dem Kondensator C vorgesehene Diode D, deren Anode mit dem Anschluss 13 verbunden ist, wobei die verbleibende annähernde Gleichspannung an den Anschlüssen 14, 12 des Kondensators C abgenommen wird.

Die Diode D, oder ein analoges, unidirektional leitendes Element, soll die Abnahme der gleichgerichteten Wechselspannung Vr vor ihrer Filterung durch den Kondensator C ermöglichen. Dies ist gemäß der Erfindung unerlässlich, um aus der Speise-Wechselspannung Vin die durch die Variation des Phasenwinkels dieser Wechselspannung übertragene Analoginformation zu extrahieren.

Die Bemessung der Widerstands-Spannungsteilerbrücke R1-R2 ist eine Funktion der Amplitude der Speise-Wechselspannung Vac und der für die Analog-Niederspannung Vpa gewünschten Amplitude, welche die aus der Speise-Wechselspannung extrahierte Analog-Niederspannungsinformation darstellt und für die Schaltung 4 zur Speisung der Verbraucherlast in Form einer analogen Steuerspannung Vp bestimmt ist.

Vorzugsweise ist zwischen dem Mittelpunkt 15 der Spannungsteilerbrücke R1-R2 und dem Anschluss E der Schaltung 4, welchem die Steuerspannung zugeführt wird, eine Integrationsschaltung 6 (in 2 gestrichelt gezeichnet) zwischengeschaltet. Dieser Integrator hat, wie im folgenden in Verbindung mit 4 gezeigt wird, den Zweck, die Phasenwinkeländerungen der gleichgerichteten Wechselspannung Vr in Gleichspannungspegel umzuwandeln.

Man erkennt, dass jedes beliebige anderweitige äquivalente Mittel zur Spannungserniedrigung anstelle der Widerstandsteilerbrücke R1, R2 verwendet werden kann. Jedoch ist die Verwendung von Widerständen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, im Hinblick auf die Einfachheit dieser Ausführungsform.

Ebenso kann jedes anderweitige unidirektional leitende Mittel anstelle der Diode D verwendet werden, die jedoch wegen ihrer Einfachheit eine bevorzugte Ausführungsform bildet.

Gemäß der Erfindung wird die annähernde Gleichspannung Vout an den Anschlüssen des Kondensators C durch die Phasenwinkeländerung der Speise-Wechselspannung nicht gestört. Diese Eigenschaft wird unter der Voraussetzung eingehalten, dass man darauf achtet, dass auf Seiten der (in 2 nicht dargestellten) Phasenwinkel-Änderungsvorrichtung (Variator) der Änderungsbereich des Phasenwinkels nicht die Bereiche der Wiederaufladung des Kondensators C einschließt. Diese Eigenschaft der Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit den Darlegungen zu den 4 und 7 näher verständlich.

3 zeigt ein Beispiel eines Phasenwinkelvariators 3' mittels Phasenwinkelanschnitt des Typs, auf welchen sich die vorliegende Erfindung bezieht. Dieser Variator 3' beruht auf der Verwendung eines Schalters 30 (hier ein MOS-Transistor), der in Reihe mit einem Messwiderstand 31 zwischen zwei Gleichricht-Ausgangsanschlüssen 32 und 33 einer Diodenbrücke D1, D2, D3 und D4 geschaltet ist. Ein erster Wechselstromanschluss 34 der Brücke ist mit einem Anschluss 35 (beispielsweise der Phase) der Netzspannung Vac verbunden, während ein zweiter Wechselstromanschluss 36 der Brücke hier einen Ausgangsanschluss (Phase 8) der modifizierten Speise-Wechselspannung Vin bildet, die zur Verbindung mit dem Eingangsanschluss 10 (2) der Schaltung 1' bestimmt ist. Die andere Leitung (Neutralleitung 9) der Speise-Wechselspannung ist hier nicht unterbrochen. Der Transistor 30 wird durch einen Wandler 37 (beispielsweise eine von der Firma SGS-Thomson Microelectronics kommerziell vertriebene Schaltung TS555) gesteuert, der zwischen dem Anschluss 33 und, über einen Speise-Widerstand R3, dem Anschluss 32 angeschlossen ist.

Die Arbeits- und Funktionsweise eines Variators der in 3 dargestellten Art ist vollkommen bekannt. Die Schaltung 37 erhält ein Einstell- bzw. Regelsignal zugeführt, beispielsweise von einem Potentiometer 38, das gemäß der Erfindung in Reihe mit einem Widerstand R4 liegt. Der Widerstand R4 hat die Aufgabe, den Variationsbereich des Regelsteuersignals der Schaltung 37 zu begrenzen und damit den Variationsbereich des Phasenwinkels der abgegebenen Spannung Vin. Dieser Widerstand R4 könnte durch eine Begrenzung des Stellwegs des Potentiometers 38 ersetzt werden.

Der in 3 dargestellte Variator bildet ein Beispiel eines Variators auf der Grundlage einer Phasenanschnittsteuerung mittels eines Öffnungsschalters, der eine bevorzugte Lösung für den Variator der vorliegenden Erfindung darstellt.

Gemäß dieser Ausführungsform eines Variators mit Phasenwinkelanschnitt besteht ein charakteristisches Merkmal der vorliegenden Erfindung in der Begrenzung des Variationsbereichs des Phasenwinkels der abgegebenen Spannung Vin zwischen 50 und 100 %.

Diese Eigenschaft der Erfindung wird durch die 4A bis 4F veranschaulicht, welche in Form von Zeitdiagrammen ein Beispiel von Wellenformen verschiedener charakteristischer Spannungen der erfindungsgemäßen Schaltung zeigen. 4A gibt die Spannung Vin wieder. 4B zeigt die Spannung Vr am Ausgang der Brücke 5 (2). 4C zeigt den Verlauf der Spannung Vout an den Anschlüssen des Kondensators C. 4D zeigt den Verlauf der Spannung Vpa an den Anschlüssen des Widerstands R2. Die 4E und 4F zeigen, gemäß zwei unterschiedlichen Ausführungsformen der Integrationsschaltung 6, den Verlauf von Regel- bzw. Steuerspannungen Vp' bzw. Vp'', die zum Anlegen am Eingang E der Speise- bzw. Versorgungsschaltung 4 der Last bestimmt sind.

In dem in den 4 dargestellten Beispiel werden aufeinanderfolgend drei gewünschte und durch den Variator 3' von 3 festgelegte Steuerpegel angenommen. Beispielsweise entsprechen diese drei Vorgabe- bzw. Einstellsteuersignale drei gewünschten Pegeln von Lichtintensitäten für eine Fluoreszenzlampe, wie weiter unten in Verbindung mit dem Anwendungsbeispiel von 8 dargelegt wird. In einer ersten Phase A besitzt der durch den Variator 3' bestimmte Phasenwinkelbereich einen maximalen Wert, d. h. dass die Spannung Vin der Spannung Vac entspricht. In diesem Fall umfasst die Spannung Vr am Ausgang der Brücke 5 (2) vollständige Halbperioden ebenso wie die Spannung Vpa an den Anschlüssen des Widerstands R2. In einer zweiten Phase A' ist angenommen, dass der Variator 3' zur Lieferung einer Spannung Vin mit einem Phasenwinkelbereich von 50 % geregelt bzw. eingestellt ist. Daraus folgt, dass die Spannungen Vr und Vpa für jede gleichgerichtete Halbperiode ebenfalls einen Phasenwinkel von 50 % aufweist. In einer dritten Phase A'' der Arbeits- und Funktionsweise befindet man sich in einer Zwischenstellung mit einem Phasenwinkel zwischen 50 und 100 %.

Wie aus 4C ersichtlich, gestattet die Tatsache, dass man eine Beschneidung durch den Schalter 30 nur zwischen 50 und 100 % des Phasenwinkels vorsieht, die Beibehaltung einer Spannung Vout, die durch die Phasenwinkeländerungen, welche während der Entladeperioden des Kondensators erfolgen, nicht beeinträchtigt wird. Daher beeinträchtigt die Übertragung bzw. Zufuhr des Vorgabe- bzw. Steuersignals an die Schaltung 4 nicht ihre Stromversorgung. Dies beruht speziell auf dem Vorhandensein der Diode D zwischen den Punkten 13 und 14.

Wie aus 4D hervorgeht, ist der Mittelwert der Niederspannung Vpa in den Phasen A, A' oder A'' unterschiedlich. Dieser Mittelwert ist am größten in der Phase A, am kleinsten in der Phase A' und besitzt einen Zwischenwert in der Phase A''. Indem man das an dem Anschluss 15 vorliegende Signal (die Spannung Vpa) integriert, lässt sich daher ein Spannungspegel Vp gewinnen, der eine Funktion des gewählten Phasenwinkels für die Spannung Vin ist.

Gemäß einer in 5A veranschaulichten ersten Ausführungsform der Integrationsschaltung variiert die Vorgabe- bzw. Steuerspannung Vp' (4E) zwischen zwei Extremwerten V1 und V2, die beide positiv sind. Die Integrationsschaltung 6' besteht in diesem Fall aus einem Widerstand R5 in Reihenschaltung mit einem Kondensator C'. Diese Reihenschaltung liegt parallel zu dem Widerstand R2 und die Vorgabe- bzw. Steuerspannung Vp' wird an den Anschlüssen des Kondensators C' abgenommen.

In einer zweiten Ausführungsform, wo man die Auswanderung bzw. Amplitude der Vorgabe- bzw. Steuerspannung Vp zwischen 0 V und einem positiven Pegel zurückzubringen wünscht, verwendet man eine Integrationsschaltung 6'' wie in 5B dargestellt. In dieser Ausführungsform ist ein Kondensator C' in Parallelschaltung über den Widerstand R2 angeschlossen. Parallel über dem Kondensator C' liegt eine Zener-Diode DZ in Reihenschaltung mit einem Widerstand R6. Die Vorgabe- bzw. Steuerspannung Vp'' wird an den Anschlüssen des Widerstands R6 abgenommen. Bei einer derartigen Ausführungsform variiert die Spannung Vp'' zwischen 0 V und einem Betrag V3 entsprechend der um die Durchbruchspannung der Zener-Diode verminderten Spannung Vpa. Dieser Betriebsmode ist in 4F veranschaulicht.

Man erkennt, dass in dieser Ausführungsform von 5B die Rolle des Integrationswiderstands von dem Widerstand R1 übernommen wird. Man kann jedoch als Abwandlung einen Widerstand zwischen dem Punkt 15 und dem ersten Anschluss des Kondensators C' verwenden. Ebenso ist in der in 5A veranschaulichten Ausführungsform der Widerstand R5 optional und die Rolle des Integrationswiderstands kann ebenfalls von dem Widerstand R1 übernommen werden.

Die zur Pegeländerung der Spannung Vp' oder Vp'' erforderlichen Zeitintervalle hängen selbstverständlich von der Integrationskonstante, d. h. von der durch den Kondensator C' und den Widerstand R5 (5A) oder durch den Kondensator C' und den Widerstand R1 (5B) eingeführten Zeitkonstante ab.

Als spezielles Ausführungsbeispiel kann man einen Widerstand R1 der Größe 100 k&OHgr; und einen Widerstand R2 des Betrags 3,3 k&OHgr; vorsehen, um eine Änderung der Vorgabe- bzw. Steuerspannung einer Amplitude von 5 V auf der Grundlage einer Phasenwinkeländerung im Bereich zwischen 50 und 100 % aus einer Speise-Wechselspannung von 220 V zu erhalten. Bei der in 5A wiedergegebenen Ausführungsform der Integrationsschaltung kann man beispielsweise einen Widerstand R5 von 100 k&OHgr; und einen Kondensator C' von 1 &mgr;F vorsehen. In diesem Falle haben die Potentiale V1 und V2 der Spannung Vp' den Wert 10 bzw. 5 V. Hierfür wird angenommen, dass die Spannung Vpa eine maximale Amplitude von 14, 14 V besitzt.

Im Falle der in 5B veranschaulichten Ausführungsform kann man für die Zener-Diode DZ einen Betrag von 5 V und für den Widerstand R6 einen Betrag von 10 k&OHgr; vorsehen. Man erhält dann eine Spannung Vp'', die zwischen 0 und 5 V variierbar ist.

6 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Variators mittels Phasenwinkelanschnitt, zur Verwendung mit einer Schaltung 1' gemäß der Erfindung der in 2 beschriebenen Art. Der in 6 dargestellte Variator 3'' wird auf der Grundlage einer Reihenschaltung eines Triacs 40 mit einem Widerstand 41 zwischen den Anschlüssen 35 und 42 zum Anlegen der Speise-Wechselspannung Vac realisiert. Das Gate des Triacs 40 ist über ein Diac 43 mit dem Mittelpunkt einer Reihenschaltung aus einem Kondensator 44 und einem Potentiometer 38 (gegebenenfalls in Zuordnung zu einem Begrenzerwiderstand R4) verbunden, wobei die Reihenschaltung parallel zu dem Triac 40 angeschlossen ist.

Die Arbeits- und Funktionsweise eines Triac-Variators der in 6 dargestellten Art ist vollkommen bekannt. Zu Beginn einer Halbwelle ist das Triac 40 nicht getriggert. Die Triggerung des Triacs 40 erfolgt erst in dem Zeitpunkt, zu dem die RC-Zelle (bestehend aus dem Kondensator 44, dem Widerstand R4 und dem Potentiometer 38) an den Anschlüssen des Kondensators C eine ausreichende Spannung zur Triggerung des Triacs erzeugt. Die Triggerspannung eines Triacs beträgt im allgemeinen ca. 30 V und entspricht der Schwellwertspannung des Diacs 43. Das Triac leitet dann im Lawinendurchbruchzustand.

Durch Veränderung des Widerstandswerts des Potentiometers 38 kann man die Verzögerung der Triggerung des Triacs 40 relativ bezüglich dem Beginn der Halbwelle, also den Phasenwinkel, variieren. Nachdem das Triac einmal getriggert ist, öffnet es beim Null-Durchgang der Halbwelle. Ein Variator der in 6 veranschaulichten Art wird im allgemeinen als ein Variator mit Phasenwinkelschließung bezeichnet.

Die 7A bis 7C veranschaulichen in Form von Zeitdiagrammen die Arbeits- und Funktionsweise einer Speise- bzw. Stromversorgungsschaltung gemäß der Erfindung bei Steuerung durch einen Variator vom Schließtyp. 7A gibt den Verlauf der Spannung Vin wieder. 7B veranschaulicht den Verlauf der Spannung Vout und 7C den Verlauf der Vorgabe- bzw. Steuerspannung Vp''. Für die Darstellung in den 7A bis 7C wird angenommen, dass die Integrationsschaltung des erfindungsgemäßen Systems mit einer Zener-Diode versehen ist, wie in 5B dargestellt.

Symmetrisch zu der Darlegung in Verbindung mit den 4A bis 4F ruft eine Änderung des Phasenwinkels mit Hilfe des Triacs 40 eine lineare Änderung des Pegels der Spannung Vp'' hervor. Im Beispiel der 7A bis 7C ist eine erste Betriebsphase A' dargestellt, in welcher das Potentiometer 38 so eingestellt ist, dass der Phasenwinkel dem minimalen Pegel der Spannung Vp'' entspricht, d. h. dass die Zener-Diode des Integrators sich im Durchbruchzustand befindet. In einer zweiten Betriebsphase A ist das Potentiometer 38 so eingestellt, dass der Phasenwinkel maximal ist und die Spannung Vp'' den Pegel V3 erreicht.

Man erkennt, dass im Falle eines Triacs der Phasenwinkel niemals Null betragen kann. In 7A ist das Triac als vollkommen oder ideal angenommen, d. h. dass es beim Null-Durchgang der Halbwelle schließt, was praktisch unmöglich ist.

In einer Ausführungsform mit einem Schließ-Variator muss darauf geachtet werden, den Variator und die erfindungsgemäße Schaltung so zu dimensionieren, dass der Phasenwinkel oder das durch den Variator 3'' bewirkte Änderungs-Zeitintervall &Dgr;t kleiner bleibt als die Zeitdauer, welche den Beginn der Halbwelle vom Beginn des leitenden Zustands der zur Speisung der Last dienenden Gleichrichtbrücke 5 trennt. Tatsächlich könnte im gegenteiligen Fall der Pegel bzw. Betrag der Spannung Vout (7B) nicht mehr konstant gehalten werden. Daher wird der Änderungsbereich des Phasenwinkels gemäß dieser Ausführungsform so gewählt, dass gewährleistet wird, dass der Kondensator C, an dessen Anschlüssen die Ausgangsspannung Vout abgenommen wird, sich bei jeder Halbwelle korrekt laden kann.

Als spezielles Ausführungsbeispiel kann man für einen Triac-Variator einen Phasenwinkel-Änderungsbereich zwischen einigen Prozent (0 % bei Annahme eines Schalters mit vollkommener Schließung) und ca. 30 % vorsehen.

Man erkennt, dass die Lösung mit einem Variator auf der Grundlage eines Phasenwinkelanschnitts mittels Öffnungsschalter (3) eine bevorzugte Lösung gegenüber einem Variator auf der Grundlage eines Phasenwinkelanschnitts mittels Schließ-Schalter (6) darstellt. Außer dem Vorteil, dass sie einen weiteren Phasenwinkel-Änderungsbereich (50 bis 100 % gegenüber 0 bis 30 %) gestattet, weist die Lösung auf der Grundlage eines Phasenwinkelanschnitts mittels Öffnungsschalter den Vorteil auf, dass ihre Arbeits- und Funktionsweise von der jeweiligen Anwendung unabhängig ist. Tatsächlich lädt sich der Kondensaor C niemals während des abnehmenden Teils einer Halbwelle auf, und diese Abnahme ist daher für die Übertragung der Information bis zur Speiseschaltung der Last verfügbar.

8 zeigt ein Schaltschema für eine Anwendung der Erfindung auf eine Steuerschaltung einer Fluoreszenzlampe T.

Die Brücke 5 und der Kondensator liefern beispielsweise für eine Wechselspannung Vin von 220 V eine Speise-Gleichspannung von 300 V an einen Anschnitt-Wandler 50 vom Typ symmetrische Halbbrücke'. Dieser Wandler liefert einen Wechselstrom mit einer Frequenz allgemein von ca. 30 kHz an die Fluoreszenzlampe T über eine Hochfrequenz-Induktivität L.

Der Wandler 50 besteht allgemein aus einer Steuerschaltung 4' in Zuordnung zu zwei Schaltern 51, 52 (beispielsweise zwei Leistungs-MOS-Transistoren), die in Reihe zwischen dem Anschluss 14 und Masse liegen; der Kondensator C liegt parallel zu dieser Reihenschaltung. Der Mittelpunkt der Reihenschaltung der Transistoren 51 und 52 bildet einen Ausgangsanschluss 53 des Anschnitt-Wandlers 50; dieser Ausgangsanschluss ist mit einem ersten Anschluss der Hochfrequenz-Induktivität L verbunden, die in Reihe mit einer ersten Heizwicklung f der Lampe T angeordnet ist. Ein Kondensator C'' geringer Größe verbindet die erste Heizwicklung f mit einer zweiten Heizwicklung f' der Lampe T und trägt zu deren Zündtriggerung bei. Der freie Anschluss der Heizwicklung f' ist über einen Kondensator 54 zur Filterung der Gleichstromkomponente in der Lampe T mit Masse verbunden.

Die Schalter 51 und 52 werden durch die Schaltung 4' gesteuert. Der Anschluss 53 bildet einen flottierenden Bezugsanschluss für den Schalter 51. Die Schaltung 4' wird ausgehend von dem Anschluss 14 über einen Widerstand 56 gespeist. Ein Ladungspump-Kondensator 57 verbindet den Anschluss 53 mit einem Anschluss 55 der Schaltung 4' entsprechend der Stromversorgung eines Steuerverstärkers des Schalters 51.

Die Schaltung 4' kann noch anderweitige, nicht dargestellte Konfigurations- und Parametrieranschlüsse aufweisen.

Die Arbeits- und Funktionsweise einer Steuerschaltung der in 8 dargestellten Art ist hinsichtlich der Steuerung der Lampe T vollkommen bekannt. Als spezielles Beispiel kann die Schaltung 4' eine von der Firma SGS-Thomson Microelectronics hergestellte und unter der Bezeichnung L6574 vertriebene integrierte Schaltung sein.

In einer derartigen Schaltung erfolgt die Funktion einer Abstufung der Lichtintensität der Lampe ausgehend von einem Analog-Niederspannungseingang E, dem eine Vorgabe- bzw. Steuerspannung Vp gemäß der Erfindung zugeführt wird.

Die Verwendung einer Schaltung 1' gemäß der Erfindung zur Gewinnung einer Leistungs-Vorgabe- bzw. -Steuergröße aus der Wechselspannung Vin ohne Änderung der Ladung bzw. Last des Kondensators C, der die für die Schaltung 4' und die Lampe bestimmte Spannung Vout liefert, weist mehrfache Vorteile auf.

Zunächst ist es nunmehr möglich, über eine Funktion zur Abstufung der Lichtintensität zu verfügen, ohne zwei zusätzliche Niederspannungsleitungen zwischen einem Schalter und der Lampe zu benötigen. Gemäß der Erfindung erfolgt die Übertragung der Vorgabe bzw. Steuerung für die Lichtintensität mittels der Speisung bzw. Stromzufuhr selbst. In dieser Hinsicht erkennt man, dass die Erfindung kein komplexes Hochfrequenz-Emissions-/Empfangs-System benötigt und die Verwendung herkömmlicher Variatoren, wie sie beispielsweise in den 3 und 6 veranschaulicht sind, gestattet.

Des weiteren gestattet der verringerte Raum- und Platzbedarf der Bestandteile der erfindungsgemäßen Schaltung 1' relativ verglichen mit den herkömmlichen Vorrichtungen, die Integration dieser Bauteile in den Sockel einer Fluoreszenzlampe, beispielsweise vom Typ CFL, ins Auge zu fassen.

Außerdem verfügt man durch Verwendung eines Variators vom Typ mit Öffnungs-Schalter, d. h. unter Ausnutzung des Phasenwinkels zwischen 50 und 100 % der Halbwelle, über ein vielseitiges Produkt sowohl auf der Variatorseite wie auf Seiten der Verbraucherlast.

9 zeigt in sehr schematischer Weise ein zweites Anwendungsbeispiel einer Speise- bzw. Stromversorgungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieses Beispiel betrifft die Steuerung eines Motors 2'' mit Hilfe einer Dreiphasen-Steuerschaltung 4''. Eine derartige Steuerschaltung steuert die jeweiligen Öffnungs- und Schließperioden von sechs Schaltern (beispielsweise MOS-Transistoren) 61, 62, 63, 64, 65 und 66, welche jeweils zwei und zwei paarweise in Parallelanordnung zwischen den Anschlüssen 14 und 12 eines Gleichricht-Speise- bzw. -Stromversorgungssystems der in Verbindung mit 2 veranschaulichten Art angeordnet sind. Die Schaltung 4'' erhält eine Niederspannungs-Vorgabe- bzw. -Steuergröße Vp zugeführt, welche in dieser Anwendung eine Drehzahlsteuerung für den Motor 2'' darstellt. Diese Drehzahlvorgabe bzw. -steuerung kann gemäß der Erfindung in außerordentlich einfacher Weise von einem entfernt angeordneten Steuerelement übertragen werden, das einen Variator mittels Phasenwinkelanschnitt enthält, ohne Beeinträchtigung der eigentlichen Leistungs-Stromversorgung des Motors über den Kondensator C, welcher eine Gleichstromversorgung zwischen den Anschlüssen 14 und 12 liefert.

Die Arbeits- und Funktionsweise eines Motor-Steuersystems der in 9 veranschaulichten Art ist vollkommen herkömmlich und ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Es sei nur darauf hingewiesen, dass das, was schematisch durch eine Steuerschaltung 4'' angedeutet wurde, im allgemeinen in der Praxis mittels mehrerer einander zugeordneter integrierter Schaltungen realisiert ist.

In den Anwendungsbeispielen der 8 und 9 wurde willkürlich angenommen, dass die Vorgabe- bzw. Steuerspannungen Vp auf Masse bezogen sein mussten und die betreffenden Schaltungen 1' zur Bildung dieser Vorgabe- bzw. Steuergrößen Vp mit einer Integrationsschaltung der in Verbindung mit 5B veranschaulichten Art versehen sind.

Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung verschiedenen Abwandlungen und Modifizierungen zugänglich, die sich für den Fachmann ergeben. Insbesondere ist die Dimensionierung und Bemessung der verschiedenen Bauteile und Komponenten des Systems der Erfindung in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung und insbesondere in Abhängigkeit von der Steuer- bzw. Versorgungsspannung und von dem für die Vorgabe bzw. Steuerung dienende Niederspannungsgröße gewünschten Aussteuerungsbereich anzupassen. Des weiteren können anderweitige Variatoren als die hier als Beispiel genommenen verwendet werden, vorausgesetzt, dass sie den beschriebenen Funktionalitäten genügen. Im übrigen eignet sich die Erfindung für jede Schaltung zur Speisung bzw. Stromversorgung einer Verbraucherlast aus einer von einer Wechselspannung herrührenden annähernden Gleichspannung.


Anspruch[de]
Stromversorgungsschaltung für eine Verbraucherlast (2, 2', 2'') auf der Grundlage einer durch Gleichrichtung (5) einer Wechselspannung (Vin) erhaltenen annähernden Gleichspannung (Vout), dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung umfasst:

– Mittel (1'), um aus der gleichgerichteten Wechselspannung (Vr) eine Information in Gestalt einer Funktion einer Änderung des Phasenwinkels der Wechselspannung (Vin) zu gewinnen; sowie

– ein Mittel (D), um die annähernde Gleichspannung (Vout) für die Stromversorgung der Last unabhängig von der genannten Phasenwinkeländerung der Wechselspannung zu machen.
Schaltung nach Anspruch 1, in welcher die genannte gleichgerichtete Wechselspannung (Vr) zwischen zwei Anschlüssen, einem positiven (13) und einem negativen (12), geliefert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung umfasst:

– ein Element (D) mit unidirektionaler Leitfähigkeit zwischen dem positiven Anschluß und einem ersten Anschluß eines Kondensators (C), an dessen Anschlüssen die annähernde Gleichspannung (Vout) für die Stromversorgung der Verbraucherlast (2, 2', 2'') abgenommen wird;

– zwischen dem genannten positiven und negativen Anschluß eine Spannungsteilerbrücke (R1, R2), welche eine der gleichgerichteten Spannung (Vr) proportionale Niedrigspannung (Vpa) liefert
Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Mittel (6, 6', 6'') zur Integration der niedrigen Gleichrichtspannung (Vpa) umfasst zur Bildung einer niedrigen Analogspannung (Vp) als Funktion des Phasenwinkels der Wechselspannung (Vin). Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Phasenwinkels der Wechselspannung (Vin) höchstens über eine halbe Halbperiode und außerhalb der Aufladungsperioden des Kondensators (C) erfolgt. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Information eine Betriebsvorgabe für einen zur Steuerung der Verbraucherlast (2, 2', 2'') bestimmten Energiewandler (4, 4', 4) ist. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenwinkeländerung der Wechselspannung (Vin) zwischen 50 und 100 % mittels eines Variators (3') mit Phasenwinkelanschnitt erfolgt. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbraucherlast (2') eine Fluoreszenzlampe (T) ist. Verfahren zur Übertragung einer Information über eine Wechselstrom-Versorgungsleitung einer Stromversorgungsschaltung für eine Verbraucherlast, mit kapazitiver Eingangsimpedanz, mit einem Kondensator, der eine annähernde Gleichspannung liefern kann, das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass es besteht in

auf der Übertrager- bzw. Senderseite: Variieren des Phasenwinkels der Wechselspannung über höchstens eine halbe Halbperiode und außerhalb der Aufladungsperioden des Kondensators; sowie

auf der Empfangsseite: Abtrennen der den Phasenwinkel betreffenden Information stromaufwärts des Kondensators.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com