DE19639857A1 - Schaltungsanordnung zur oberwellenarmen Speisung von Verbrauchern aus einem Versorgungsnetz - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur oberwellen­ armen Speisung von Verbrauchern aus einem Versorgungsnetz mit zwei in Reihe geschalteten Transistoren, an deren Basisanschlüssen mit einer Steuer­ schaltung getaktete Steuerimpulse zuführbar sind, um dieselben abwechselnd leitend zu schalten.

Infolge der von allen Seiten geforderten Energieeinsparung muß auch dafür gesorgt werden, daß der aktive Wirkungsgrad (powerfactor pf) möglichst hoch ist und weitestgehend von Oberwellen befreit ist. Daraus folgt, daß der Ver­ braucher vom Speisenetz aus betrachtet einem einfachen Widerstand zu glei­ chen hat. Bei Stromsparlampen (CFL) sind Bestrebungen im Gange dies zu erreichen, aber auch mit sehr aufwendigen Steuerschaltungen konnte kaum ein Wirkungsgrad wesentlich über 50% erreicht werden.

Ein Beispiel einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Kompaktfluo­ reszenzlampe (CFL) ist in der US-A-5,223,767 beschrieben. Mit einer hoch­ frequenten Ansteuerungsschaltung, enthaltend einen Spannungsverdoppler mit einem Halbbrückengleichrichter ist die eine Elektrode der CFL über einen Kopplungskondensator mit dem Mittelpunkt der Kondensatoren des Span­ nungsverdopplers verbunden während die zweite Elektrode der CFL über einen LC-Kreis mit zwei Induktivitäten und einem Kondensator auf den Mit­ telpunkt eines mit zwei Transistoren gebildeten hochfrequenten Schwingkreises. Damit kann erreicht werden, daß die Spannung über den Kondensatoren des Spannungsverdopplers höher ist als der Spitzenwert der eingespeisten Wechselspannung. Dies soll zu einem höheren Wirkungsgrad und niedrigen Harmonischen auf dem Wechselstrom führen. Die erreichten Werte sind aber begrenzt, denn die zu den Kondensatoren zurückgeführte Energie wirkt als Boosterspannung für die Kondensatoren, während ein zweiter Teil aus dem LC-Kreis resultiert und somit hochfrequent ist. Der erstgenannte Teil fließt dann über die Gleichrichterdioden zu den Kondensatoren und die positive Halbwelle des zweitgenannten Teils fließt durch die eine Diode gegen den erstgenannten Energieteil, wodurch sich Harmonische aufheben können.

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung eine Schaltungsanord­ nung zu schaffen, mit der ein Wirkungsgrad von weit über 90% und eine praktisch vollständige Aufhebung von Harmonischen erreicht werden soll.

Dies wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des unabhängigen Anspruchs erreicht durch einen Vierpol der eine mit zwei Dioden gebildete Gleichrich­ terstrecke und eine dazu parallel geschaltete aus den in Reihe verbundenen, mittels einer Steuerschaltung abwechselnd leitend geschalteten Transistoren besteht, und bei dem die Endanschlüsse von Gleichrichterstrecke und Schal­ terstrecke als Verbindungspunkte miteinander verbunden sind, daß die pri­ märseitigen Anschlüsse einerseits die Mitte zwischen den Dioden und ander­ seits die Mitte zwischen den Transistoren sind, daß die sekundärseitigen Anschlüsse die beiden Verbindungspunkte und der gemeinsame Punkt zwi­ schen den Transistoren sind, daß ferner die beiden Verbindungspunkte über wenigstens einen Kondensator miteinander verbunden sind, und daß wenig­ stens in eine der beiden Primärseitigen Leitungen eine Drossel geschaltet ist.

An Hand der beiliegenden Zeichnung werden nachfolgend Ausführungsbei­ spiele der Erfindung erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfacht gezeichnete Schaltungsanordnung zur Korrektur des Wirkungsgrades,

Fig. 2 eine Anwendung der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 als Gleich­ richterschaltung ohne Transformator und Brückenschaltung mit einem Wirkungsgrad nahezu 1, und

Fig. 3 eine Anwendung der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 als Ansteue­ rung für CFL.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 zeigt einen Vierpol in eine Brückenschal­ tung, von der eine Zweig als Gleichrichterzweig mit zwei Dioden D1 und D2 gebildet ist und deren zweiter Zweig als Schalterzweig mit zwei in Reihe geschalteten Schaltern S1 und S2 gebildet ist, die mit einem Steuergerät G abwechselnd leitend geschaltet werden. Als Umschaltfrequenz kann eine Fre­ quenz von normalerweise höher als 10 kHz verwendet werden.

Die Zuführung der Speisespannung, beispielsweise eine 50 Hz Wechselspan­ nung, erfolgt über wenigstens eine der Drosseln DRa und/oder DRb einer­ seits am Mittelpunkt zwischen den Dioden D1, D2 und anderseits am Mittel­ punkt der Schalter S1, S2.

Diese Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt: Der Wechselstrom AC fließt über die wenigstens eine Drossel DRa oder Drb, es könnten auch beide Drosseln vorhanden sein, auf die Gleichrichterhalbbrücke mit den Dioden D1, D2. Die zweite Halbbrücke ist mit den Schaltern S1 und S2 gebildet. Diese können in bekannter Art mit zwei Transistoren gebildet sein, deren Emitter-Kollektorstrecken in Reihe geschaltet sind. An die Basis der Transistoren ist eine Steuerspannung angelegt, die aus einem Generator G geliefert wird und mit welcher Spannung die Transistoren alternierend leitend geschaltet werden. Wie aus der Technik für CFL bekannt ist, kann die Schaltersteuerung mit einer Frequenz von etwa 40 Khz betrieben werden. Die Endpunkte der bei­ den Halbbrücken sind miteinander verbunden, so daß ein Vierpol gebildet ist, dem an zwei gegenüberliegenden Punkten, beispielsweise den Mittelpunkten der beiden Halbbrücke, die niederfrequente elektrische Energie zuführbar ist und die Gleichspannung DC kann HF-seitig an den beiden andern Punkten des Vierpols, nämlich an den verbundenen Endpunkten abgenommen werden.

Messungen an einer solchen Versuchsanordnung haben einen Wirkungsgrad von nahezu 1,

U_Bmin = 2SQRT2
U_Bpeak 2SQRT2

damit ist ein Riffel gemeint bei dem auf der gleichgerichteten und geglätteten Energie ein zweiter Riffel aufgedrückt ist, der aber um 90° in der Phase ver­ schoben ist und somit die nach unten gerichteten Spitzen des Riffels vermin­ dert sind, wodurch ein Wirkungsgrad von wenigstens nahezu 1 und eine prak­ tisch vollständige Oberwellenfreiheit gegeben ist.

Eine Anwendung dieser Schaltungsanordnung in einer Gleichrichterschaltung ist in Fig. 2 dargestellt. Wechselstromseitig AC sind die Anschlüsse 1 und 2 einerseits an den Mittelpunkt zwischen den beiden Dioden D1 und D2 des Gleichrichterzweiges und anderseits an den Mittelpunkt des Schalterzweiges mit den Transistoren T1, T2 geführt. Der Glättungskondensator C in Fig. 1 ist durch zwei Kondensatoren C3 und C4 ersetzt, so daß sekundärseitig der eine Abgriff am gemeinsamen Punkt der beiden Kondensatoren C3 und C4 und der zweite Abgriff am Einspeisepunkt des Wechselstrom es zwischen den beiden Transistoren T1, T2 erfolgt. Die Widerstände R1, R2, R3, R4 und R5 sowie der Kondensator C5, ferner die Induktivitäten 11, 12 und die Diode D5 mit der Mehrschichtdiode Diac bilden den Generator G in Fig. 1. Zur Aus­ kopplung der Sekundärenergie dient noch eine Induktivität 13. Die drei Induk­ tivitäten 11, 12 und 13 sind auf einem gemeinsamen Kern aufgewickelt. Der sekundäre Strom ist nach der Induktivität 13 noch über eine Drossel DR3 auf den Mittelpunkt der Energiespeicherkondensatoren C3, C4 geführt. Die Dros­ sel DR3 kann wie dargestellt die Primärwicklung eines Transformators sein an dessen Sekundärseite die Spannung abnehmbar ist. Die zu den Transistoren T1 und T2 parallelgeschalteten Dioden D3 und D4 dienen beim Aufstarten der sofortigen Anschaltung der Generatorteils. Wenn die Aufstartung nicht forciert werden muß könnten diese Dioden auch weggelassen werden.

Mit der Verwendung der ursprünglichen Schaltungsanordnung nach Fig. 1 kann somit ein Spannungswandler gebildet werden, der einerseits mit hohem Wirkungsgrad, nämlich praktisch pf = 1 und anderseits oberwellenfrei arbei­ tet.

Fig. 3 zeigt grundsätzlich dieselbe Anordnung wie Fig. 2 nur daß in diesem Fall ach der Drossel DR3 die eine Elektrode einer CFL folgt von welcher die zweite Elektrode dann auf den Mittelpunkt der Speicherkondensatoren C3 und C4 geführt ist. Die Verbindung zwischen den Elektroden der CFL ist über einen Kondensator C6 gemacht. Dieser hat die Aufgabe, daß vor dem Zünden der CFL ein hochfrequenter Strom zurück zu den Speicherkondensa­ toren fließen kann, um damit den Einschwingvorgang zu beschleunigen.

In beiden Anwendungsbeispielen sind in den einen Wechselstromleiter jeweils zwei Drosseln, DR1 und DR2 geschaltet wobei beidseits der äußeren Drossel DR1 je ein Kondensator C1, C2 zum zweiten Wechselstromleiter geführt ist. Diese haben die Aufgabe einerseits zu verhindern, daß hochfrequenter Strom aus dem Generator zurückfließen kann und anderseits ein elektromotorisches Filter, derart, daß die beiden Drosseln DR1 und DR2 in Reihe vor dem An­ schluß zum Gleichrichterzweig liegen und die beiden Kondensatoren C1, C2 jeweils vor einer der beiden Drosseln DR1 und DR2 geschaltet sind. Diese Anordnung ist bekannt und auch im vorerwähnten US-A-5,223,767 be­ schrieben.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur oberwellenarmen Speisung von Verbrau­ chern aus einem Versorgungsnetz mit zwei in Reihe geschalteten Transistoren, an deren Basisanschlüssen mit einer Steuerschaltung getaktete Steuerimpulse zuführbar sind, um dieselben abwechselnd leitend zu schalten, gekennzeichnet durch einen Vierpol der eine mit zwei Dioden gebildete Gleichrichterstrecke und eine dazu parallel geschaltete aus den in Reihe verbundenen, mittels einer Steuerschal­ tung abwechselnd leitend geschalteten Transistoren besteht, und bei dem die Endanschlüsse von Gleichrichterstrecke und Schalterstrecke als Verbindungspunkte miteinander verbunden sind, daß die primär­ seitigen Anschlüsse einerseits die Mitte zwischen den Dioden und anderseits die Mitte zwischen den Transistoren sind, daß die sekun­ därseitigen Anschlüsse die beiden Verbindungspunkte und der ge­ meinsame Punkt zwischen den Transistoren sind, daß ferner die beiden Verbindungspunkte über wenigstens einen Kondensator mit­ einander verbunden sind, und daß wenigstens in eine der beiden primärseitigen Leitungen eine Drossel geschaltet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterstrecke aus steuerbaren Dioden bestehen.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterstrecke aus passiven Dioden besteht.

4. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüchen 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß in der Schalterstrecke zwei Transistoren vorhanden sind, deren Emitter-Kollektor-Strecken in Reihe geschaltet sind und anderen Basis die Steuerspannung aus dem Generator ange­ legt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Transistoren Dioden geschaltet sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schalterstrecke durch einen Transistor in Reihe mit einem Widerstand oder mit einer Induktivität gebildet ist.