C - LTI

Commentaren

Transcriptie

C - LTI
Komponenten eines Standard-EVG für LL
~ =
EMVFilter
~ =
Gleichrichter
+
_
PFC
+
_
HF-
C S Generator
Lampe
SicherheitsAbschaltung
¾ EMV-Filter für HF-Störungen von 9 kHz bis 30 MHz
¾ Power Factor Correction: Korrektur der Netzstromoberwellen
¾ HF-Halbbrückengenerator (40kHz-50kHz) mit Resonanzkreis
¾ Sicherheitsabschaltung incl. „End of Life“-Detektion (bei Zündunwilligkeit und stärkerem Anstieg der Brennspannung z.B. durch deaktivierte Wendel)
¾ CS: Speicherkondensator
W. Heering
Lichttechnisches Institut
Universität Karlsruhe
Optoelektronische
Schaltungen
Auslegung eines Standard-EVG
Für ein 230 V Netz und beispielsweise eine L 58W:
Für einen maximalen HF-Gewinn muss die Zwischenkreispannung über dem
Speicherkondensator CS von 300 – 400 V – je nach Sinusstromregler -, auf etwa ±20
V konstant sein. Dies wird erreicht mit CS ≈15 µF.
Zur Einhaltung der Funkstörspannung-Grenzwerts bei 50 kHz wird die
Betriebsfrequenz des HF-Generators etwas unterhalb von 50 kHz gewählt.
Der Lampenstrom wird durch eine HF-Drossel begrenzt. Mit RL = 260 Ω der Plasmawiderstand ist für eine gegebene Zwischenkreispannung konstant –
und L = 2 mH ergibt sich ohne eine Kapazität CR über der Lampe im Nennbetrieb
eine aus Exponentialfunktionen A(1 – exp(-t/τ)) zusammengesetzte Lampenstromform; τ = L/RL = 7,7 µs entsprechend ca. einer halben Lampenstromhalbwelle. C
rundet etwas die Stromform, was die Funkstörstrahlung begrenzt
Zum Starten werden L und CR nahe der Resonanzfrequenz angeregt. Frequenz und
Schwingkreisdämpfung bestimmen die Zündspannung von ca. 1100 – 1800 VSS.
W. Heering
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Fremdgesteuerte Halbbrücke
+
CR
IR
CT
Steuer-IC
Resonanzstrom:
IR=Ulp*2πfCR
Lampe
Drosselwiderstand: XL=2pfL
XL
CT: Trapez-C begrenzt Spannungsanstieg über dem Transistor.
CR: Resonanz-C erzeugt in VerCK
bindung mit L bei f = 1/ 2π LiC
U
Zündspannung über der Lampe.
I
CK: Koppel-C mit etwa halber
t
_
Zwischenkreisspannung
L: Lampendrossel
Halbbrückenansteuerfrequenz wird durch einen stellbaren Oszillator vorgegeben! Die unipolare Rechteckspannung über dem unteren Transistor wird durch den Trennkondensator
CK symmetrisiert. Mit zunehmender Frequenz verringert sich der Lampenstrom und erhöht
sich der Vorheizstrom. Lampenkreis ist nach dem Zünden i.w. ein L-R – Kreis.
W. Heering
L
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Freischwingende Halbbrücke
PTC (Kaltleiter)
CT
C R1
Trb
C R2
Lampe
Tra
L
U
I
t
Leichter zu realisieren mit
Tastlücke bei Fremdsteuerung
W. Heering
ZVS-Schaltentlastung (zero-voltage switching) der Transistoren
durch Kondensatoren über den Schaltern.
CK
Trc
CT: Trapez-C.
CR: Resonanz-C.
CK: Koppel-C.
L:Lampendrossel
Tr: Steuertrafo
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Trapezförmiger Spannungsanstieg über
Transistor nach Ausschalten des Transistors
Einschalten des Transistors bei verschwindender Spannung über dem Transistor, erreicht durch resonanten Drosselstrom, der
die zugehörige Inversdiode leitend macht.
Während des Anstiegs und des Abfalls der
Mittelpunktspannung U sind beide
Transistoren idealerweise nicht leitend.
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Sättigungsübertrager im frei schwingenden Wechselrichter
Sättigungsübertrager:
Primärwicklung ist vom Lampenstrom durchflossen.
Sättigungsinduktion ist so bemessen, dass der
Übertrager etwa beim Scheitelwert des Lampenstroms in Sättigung geht und damit die Transistoransteuerung endet.
Sekundärwicklungen mit entgegengesetztem
Ansteuerung der Halbbrücken-Transistoren Windungssinn steuern abwechselnd die Halbmit magnetischem Steuerübertrager
brückentransistoren.
Nach Abschalten des zuletzt angesteuerten Transistors kehrt sich die Stromrichtung um. Der Kern
entsättigt und erzeugt die Ansteuerung für den
anderen Transistor.
Weit verbreitete Ansteuerung in Installationsgeräten.
Spannungsverlauf am Steuerübertrager
W. Heering
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Resonanzverhalten des Schwingkreises
Lampenbetrieb 2xFQ 54W
Spannung an der Lampe / V
1400
Leerlaufbetrieb
1200
1000
800
600
Betrieb
400
200
ZVS erfüllbar beim SerienParallelwandler im überresoZünden
ranten Betrieb (Entlastungsstrom
eilt Spannung über CT vor!),
bei starker Dämpfung auch im
unterresonanten Betrieb.
Vorheizen Ansonsten hohe Umladeverluste in den Schaltern proportional den gespeicherten
Energien in den Entlastungs-C.
0
30
W. Heering
40
50
60
70
Anregungsfrequenz / kHz
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80
90
Optoelektronische
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Wendelvorheizung mit Kaltleiter als Schaltelement
Die richtige Wendelvorheizung bei
Leuchtstofflampen in Verbindung
mit der richtigen Zündung
ermöglicht mit dem EVG-Betrieb
weit über 100 000 Schaltzyklen.
Durch Einstellen einer relativ niedrigen Impedanz parallel der Lampe über eine Zeit von
etwa 1- 2 s wird ein ausreichender Strom über die Wendeln zum Vorheizen ermöglicht. Zur
Vermeidung einer vorzeitigen (Kalt-) Zündung muss dabei die Frequenz so hoch sein, dass
man hinreichend weit von der Resonanz entfernt ist.
Wendelvorheizung mit Kaltleiter: Kalter PTC (50 – 100Ω) überbrückt C2 (7 nF) und es
fließt ein Strom über die Wendeln etwa der Größe des Lampennennstroms. Spannung über
C1 (10 nF) und PTC zündet sicher die Lampe nicht. Bei heißem PTC ist die Serienschaltung
von C1 und C2 wirksam und erzeugt mit L eine Resonanz und so die Zündung mit heißen
Wendeln. Der im Betrieb hochohmige PTC (80 – 120°C) erzeugt Verluste von 0,5 – 1 W.
W. Heering
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Wendelvorheizung über Frequenzverschiebung am Beispiel einer L 58W
2 mH
10 nF
L 58W
Vorheizen: f = fH = 47,5 kHz, IH = 0,425 A, U < 150 V!
Zünden: f = fZ = 39,5 kHz, U = UZ ≈ 500 V
Betrieb: f = fB = 28 kHz, Lampenkreis, nahezu ein L-R –
Kreis, durch brennende Lampe stark bedämpft
Kürzere Heizzeiten als etwa 3 s nur mit größerem C
erreichbar, aber dadurch merkliche Wendel(heiz)verluste im Dauerbetrieb
Besser Cut-off: Abschalten des Heizkreises
W. Heering
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Vorheizung und Zündung einer T5 FH 14W
Vorheizung
Zündung
ULampe
ILampe
W. Heering
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Cut Off - Schaltungsprinzip
Trafo-Vorheizung für
fremdgesteuerte Halbbrücke
MOSFET-Vorheizung für
freischwingende Halbbrücke
CR
L
CR
Tra
CK
Lampe
L
+
Lampe
Trb
+
Trc
CK
_
_
Abschaltung der Wendeldauerheizung im Lampenbetrieb
W. Heering
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R
EVG-Betriebsdaten von T5-Lampen
W. Heering
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Netzoberwellenvorschriften - EN61000-3-2
Bei einfachem Brückengleichrichter mit folgendem Glättungskondensator:
Leistungsfaktor etwa nur 0,5!
erzeugt als pulsierender Gleichstrom Oberschwingungen auf der Netzspannung
Oberwellenvorschriften:
W. Heering
Leuchtenleistung < 25W:
Leuchtenleistung > 25W:
¾ Grenzwerttabelle der Klasse D
¾ Grenzwerte des Stromphasenwinkels
¾ Grenzwerttabelle der Klasse C
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Oberwellenkorrektur für Leistungen > 25 W
Passive PFC: Pumpschaltung
CT
~
CS
~
_
_
~
CS
CK
~
CR
Lampe
Aktive PFC: Hochsetzsteller
L
_
Regel-IC
+ : geregelte Halbbrückenspannung
-- : hohe Kosten, hoher Platzbedarf
W. Heering
+ : kostengünstigste Lösung
-- : hoher FuE-Aufwand, keine Regelung
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Hochsetzsteller-Regelung
1. Höhe des Stroms durch L1 und S bei geschlossenem
Schalter S – Istwert über RS gemessen - wird mit dem
Sollwert verglichen, der aus Multiplikation der
gleichgerichteten Netzwechselspannung mit der
Ausgangsspannung eines langsamen (τ >> 10 ms)
invertierenden Regelverstärkers resultiert.
Prinzipschaltbild eines
geregelten Hochsetzstellers
2. Übersteigt der Istwert den Sollwert, öffnet der Komparator den Schalter und der sich abbauende Drosselstrom lädt C1.
3. Schalter wird nur wieder eingeschaltet, wenn der
Sollwert kleiner als der Istwert und die Spannung an
der Detektorwicklung von L1 negativ ist.
Drosselstrom bei nicht
lückendem Hochsetzsteller
W. Heering
4. Ist die Spannung über C1 zu groß, verringert sich der
Sollwert, was die dem Netz entnommene Leistung
verkleinert.
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Mehrlampengeräte
Aufgrund der Leitungsimpedanz dürfen die Lampen nur einen rel. geringen Abstand haben.
Gemeinsame Komponenten wie Halbbrücke – ausgelegt für höhere Ströme - und Ansteuerung
bringen wirtschaftliche Vorteile. Nachteil: Wenn eine Lampe nicht zündet, muss der Wechselrichter angehalten werden.
Bei kleineren Lampenbrennspannungen ist eine Reihenschaltung der Lampen möglich. Beide
Gasstrecken müssen gleichzeitig durchzünden, was bei Wendelvorheizung funktioniert.
W. Heering
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Dimmen von Leuchtstofflampen durch Frequenzverstellung
Beachte: Bei sehr kleinen Lampenströmen ist meist die Kennlinie Lampenstrom als
Funktion der Frequenz steil abfallend und mehrdeutig – zu 1 Frequenzwert: 2 Stromwerte!
HF-Betrieb am elektronischen Vorschaltgerät OSRAM QT DALI FQ 1x80 DIM
Φrel: 1%
Φrel: 100%
Ch1: U(Lampe) = 150 V
Ch2: I(Lampe): 0,5A/div (536 mA)
Ch3: rel. Φ; ripple: 16%
W. Heering
Ch1: U(Lampe) = 287 V
Ch2: I(Lampe): 0,05A/div (6 mA)
Ch3: rel. Φ; ripple: 49%
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Kennzeichnung
EVG-Gehäuseaufdruck
thermische Eigenschaften
2 x F Q
5 4 W
U N (V )
fN (H z )
IN ( A )
l
ta (° C )
2 3 0 -2 4 0
0 ; 5 0 -6 0
0 ,5 2
0 ,9 9
-2 0 ...5 0
E N
E N
E N
E N
E N
E N
5 5
6 0
6 0
6 0
6 1
6 1
0 1
9 2
9 2
9 2
0 0
5 4
9
8
4
T e m p .-T e s t
t? = 7 0 ° C m a x
R a n g e
R a n g e
C a n b e
c l a s s I
P r e h e a
E E I = A 2
5
0 -3 -2
7
Netzversorgung
1 0
D
V
E
O W
2
A 3 0 9 2 9 7 0 0 0 7
M a d e in G e r m a n y
o f a
o f b
u s e
a n d
t tim
p p
a t
d
II
e
lic a tio n : A C /D C 1 9 8 V to 2 6 4 V
te r y v o lta g e : 1 5 4 V to 2 7 6 V
fo r lu m in a ir e s p r o te c tio n
< 0 ,5 s e c .
6
L
5
L
Prüfzeichen
Lampen-Verdrahtung
Lampe
W. Heering
Normen
Lichttechnisches Institut
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4
K e e p w ir e s 5 ,6 s h o r t
o p e n
la m p
o u t
2 3 0 2 4 0 V
U
4
Q U IC K T R O N IC
Q T -F Q 2 x 5 4 /2 3 0 -2 4 0
U
~_
= 3 1 0 V
< 4 0 0 V
Energie-Klassifizierung
Optoelektronische
Schaltungen
1
2
3
Zukünftige EVG-Entwicklungen
Reduzierung der EVG-Hardware auf eine gemeinsame Plattform
für verschiedene Leistungsklassen und Gehäusebauformen
¾ µController gesteuerter Programmablauf für
• Startsequenz
• Vorheizung
• Zündung
• Betrieb
• „End of Life“-Überwachung und Sicherheitsabschaltung
¾ Programmierung des EVG-Typs durch Software-Änderung
¾ Automatische Erkennung von Lampen
Low Cost-Schaltungen mit reduzierten Marktanforderungen
¾ KVG-Verbot der Energieklasse D ab Mai 2002
¾ KVG-Verbot der Energieklasse C ab Nov. 2005
W. Heering
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Höchstfrequenz-EVG für Kompaktleuchtstofflampen
•
Lampenkreis mit 2.65 MHz
•
Power Factor Correction
•
Lampensteuerung
•
Multilayer-LTCC
•
Integrierte Kondensatoren
•
Planardrosseln
•
Gedruckte lasergetrimmte
Widerstände
•
Flip-Chip-Integration
•
Höchstfrequenz erlaubt kleine
Kapazitäten und Induktivitäten ⇒
reduziertes Volumen
W. Heering
EMI-Filter
Gleichrichter
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PFC mit
AVF
DC/ACWandler
Lampenkreis
Start- und
Kontroll-IC
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Neue Technologien im Höchstfrequenz-EVG
• Multilayer-Struktur
• Flipchip-Integration
• SMD-Bestückung
• Low Temperature Cofired
Ceramic (LTCC)
• Layerdicke: 120-130 µm
• Mehr als 5 Lagen
• Integrierte Kapazitäten
• Planare Drosseln für Filter-,
Steuer- und
Lampeninduktivität
• Gedruckte Widerstände mit
Lasertrimmung
W. Heering
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Hochintegriertes, digitales EVG für Leuchtstofflampen
AC/DC-Wandler
L
N
PE
Funkentstörung
Gleichrichter
Lampenkreis
Halbbrücke
VDC
VHB
PFC
iDr(t), VDC
Signalaufbereitung
Resonanzkreis
Lampe
uL(t), iL(t)
Digitale Steuerund
Regeleinheit
Signalaufbereitung
PC / BUS
µC
Treiber
Vorteile der neuen, smarten EVG-Generation:
¾Einsparung von Herstellungskosten und analogen Bauelementen
¾Einfache Integration neuer Funktionen
¾große Flexibilität durch programmierbare Betriebsparameter
W. Heering
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Digitale Funktionen des Microcontrollers
Ablaufsteuerung und
Lampenmanagement
Neue Funktionen:
Messwerterfassung
und -verarbeitung
Powermanagement
Lichtstromregelung
ohne externen Sensor
Vorheizung und
Zündung
PFC-Regelung und
Ansteuerung
Lampenstromund Leistungsregelung
µC
Standby Betrieb
Kommunikation
(PC, DALI-BUS)
WendelwiderstandsErfassung
Überwachung und
Schutzabschaltung
Lampenerkennung
Fehlererfassung und
Fehlermeldung
Anpassung der
Vorheizung
W. Heering
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