Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betreiben mindestens eines Verbrauchers

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben mindestens eines Verbrauchers, umfassend einen Versorgungsspannungsanschluss zum Anschließen einer Versorgungsspannung (U_N), einen Hochsetzsteller, der mit dem Versorgungsspannungsanschluss gekoppelt ist, wobei der Hochsetzsteller eine Hochsetzstellerdrossel (L2a), einen elektronischen Hochsetzstellerschalter (T1), eine Hochsetzstellerdiode (D5) und einen Hochsetzstellerkondensator (C3) aufweist und einen Ausgangsanschluss (A1, A2) zum Anschließen des mindestens einen Verbrauchers, wobei die Schaltungsanordnung weiterhin eine Entkopplungsdiode (D6) aufweist, wobei die Entkopplungsdiode (D6) seriell zum Hochsetzstellerschalter (T1) angeordnet ist. Sie betrifft überdies ein Verfahren zum Betreiben mindestens eines Verbrauchers an einer derartigen Schaltungsanordnung.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben mindestens eines Verbrauchers, umfassend einen Versorgungsspannungsanschluss zum Anschließen einer Versorgungsspannung, einen Hochsetzsteller, der mit dem Versorgungsspannungsanschluss gekoppelt ist, wobei der Hochsetzsteller eine Hochsetzstellerdrossel, einen elektronischen Hochsetzstellerschalter, eine Hochsetzstellerdiode und einen Hochsetzstellerkondensator aufweist, und einen Ausgangsanschluss zum Anschließen des mindestens einen Verbrauchers. Sie betrifft überdies ein Verfahren zum Betreiben mindestens eines Verbrauchers an einer derartigen Schaltungsanordnung.

Stand der Technik

[0002] Zur Darstellung der der Erfindung zugrunde liegenden Problematik wird zunächst auf die in Fig. 1 dargestellte, aus dem Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnung verwiesen. Diese Schaltungsanordnung weist einen Versorgungsspannungsanschluss auf, an dem eine Netzspannung U_N angeschlossen ist. Der aus dem Netz in die Schaltungsanordnung fließende Strom wird mit IN bezeichnet. Eine Filtereinheit, die einen Kondensator C1 sowie zwei miteinander gekoppelte Spulen L1 a und L1 b umfasst, verhindert die Übertragung von Störungen aus der Schaltungsanordnung ins Netz. Auf die Filtereinheit folgt ein Gleichrichter, der die Dioden D1, D2, D3 und D4 umfasst. Die gleichgerichtete, gefilterte Netzspannung U_NG wird an einem Kondensator C2 an einen Hochsetzsteller bereitgestellt, der eine Hochsetzstellerdrossel L2a, einen elektronischen Hochsetzstellerschalter T1, eine Hochsetzstellerdiode D5 und einen Hochsetzstellerkondensator C3 umfasst. Eine mit der Hochsetzstellerdrossel L2a gekoppelte Drossel L2b, die mit dem Eingang 12 der Steuervorrichtung 10 verbunden ist, dient der Erfassung eines Stromrichtungswechsels durch die Hochsetzstellerdrossel L2a, um den Hochsetzstellerschalter T1 dann einzuschalten, wenn der erfasste Momentanwert dieses Stroms gleich Null ist. Dieser Betrieb wird als so genanntes Arbeiten an der Lückgrenze bezeichnet. Zur Auswertung des Stroms durch die Drossel L2b dient - neben anderen Funktionen - eine Steuervorrichtung 10. Zwischen den Hochsetzstellerschalter T1, der über die Steuervorrichtung 10 über deren Ausgang 14 gesteuert wird, und dem Bezugspotential, vorliegend Massepotential, ist ein Shunt-Widerstand R1 zur Messung des Stroms durch den Hochsetzstellerschalter T1 über den Eingang 16 der Steuervorrichtung 10 vorgesehen. Die am Kondensator C3 abfallende Spannung wird üblicherweise als Zwischenkreisspannung U_ZK bezeichnet und über einen Ausgangsanschluss A1, A2 an einen nicht dargestellten Verbraucher bereitgestellt. Der Verbraucher kann beispielsweise eine Lampe sein. Die Zwischenkreisspannung U_ZK wird durch die Steuervorrichtung 10 geregelt und ihr deshalb über einen Eingang 18 zugeführt. Die Steuervorrichtung 10 ist so ausgelegt, dass die Einschaltzeit des Hochsetzstellerschalters T1 im stationären Zustand fest ist. Die Pausenzeit ist in Abhängigkeit des Momentanwerts der sinusförmigen Netzspannung U_N variabel. Der Nachteil der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung besteht darin, dass der THD (Total Harmonic Distortion)-Faktor des Netzstroms IN für einige Anwendungen zu groß ist und die entsprechenden Normen nicht erfüllt.

Darstellung der Erfindung

[0003] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, die Schaltungsanordnung von Fig. 1 derart weiterzubilden, dass eine Verringerung des THD-Faktors des Netzstroms I_N erzielt werden kann.

[0004] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 9.

[0005] Die Erfindung basiert zunächst auf der Erkenntnis, dass der Netzstrom IN im Bereich des Nulldurchgangs der Netzspannung U_N eine deutliche, in Fig. 2 durch einen Pfeil gekennzeichnete Abplattung aufweist. Diese Abplattung hat, wie durch eine detaillierte Analyse festgestellt wurde, seine Ursache einerseits in den parasitären Kapazitäten des Verzweigungspunkts P gegen Masse, (im Wesentlichen vom Hochsetzstellerschalter T1 herrührend), was zur Folge hat, dass die in der Hochsetzstellerdrossel L2a gespeicherte Energie bei kleinen Strömen - entsprechend einer kleinen Eingangsspannung U_N - hauptsächlich oder sogar vollständig verwendet wird, um diese parasitären Kapazitäten umzuladen. Im letztgenannten Fall erreicht die Spannung am Punkt P nicht mehr die Höhe der Zwischenkreisspannung U_ZK, so dass die Hochsetzstellerdiode D5 nicht mehr leitend wird. Damit stockt der Energieeintrag in den so genannten Zwischenkreis, was zur Folge hat, dass nur Blindleistung mit entsprechenden Verlusten kursiert. Damit pendelt bei niedrigen Netzspannungen U_N lediglich Blindleistung zwischen den parasitären Kapazitäten, insbesondere des Hochsetzstellerschalters, und der Hochsetzstellerdrossel hin und her. Weil somit lediglich ein Austausch der Energie zwischen diesen beiden Energiespeichern stattfindet, wird der Netzstrom I_N fast zu Null. Fig.2 zeigt überdies den zeitlichen Verlauf der Spannung U_R1 am Shunt-Widerstand R1, der Spannung U_D am Drainanschluß des Transistors T1 sowie des Stroms I_L2a durch die Drossel L2a.

[0006] Fig. 3 zeigt den Verlauf der Spannung U_P am Punkt P sowie den Verlauf des Stroms I_L2a ,wobei die Nulllinie der Spannung U_P und des Stroms I_L2a durch den Pfeil für die Kanäle 1, 3 an der linken Seite des Diagramms von Fig. 3 gekennzeichnet ist. Wie in dieser Figur zu erkennen ist, wird die Energie aus der Hochsetzstellerdrossel L2a in die parasitären Kapazitäten entladen (linke Hälfte der Fig. 3). Beim Rückschwingen, siehe rechte Hälfte der Figur 3, wird nun die Drossel L2a in entgegengesetzter Richtung aufmagnetisiert. Dabei erreicht der negative Ausschlag, siehe den Verlauf des Stroms I_L2a, fast wieder die Höhe des vorangegangenen positiven Maximums. Der Strom I_L2a ist nahezu Mittelwertfrei. Dadurch wird kaum Strom aus dem Netz entnommen.

[0007] Die Erfindung basiert schließlich auf der Erkenntnis, dass dieses Umschwingen des Stroms I_L2a durch die Hochsetzstellerdrossel L2a reduziert werden kann, wenn seriell zum Hochsetzstellerschalter T1 eine Entkopplungsdiode angeordnet wird. Diese verringert die negative Vorladung der Hochsetzstellerdrossel L2a und verbessert damit die Kurvenform des Netzstroms IN. Dadurch, dass sich der zeitliche Verlauf des Netzstroms IN nunmehr einer Sinusform annähert, wird der THD-Faktor dieses Stroms deutlich verbessert.

[0008] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Entkopplungsdiode zwischen den Verbindungspunkt P, über den die Hochsetzstellerdrossel mit der Hochsetzstellerdiode gekoppelt ist, und den Hochsetzstellerschalter gekoppelt ist. Eine Alternative hierzu zeichnet sich dadurch aus, dass die Entkopplungsdiode zwischen den Hochsetzstellerschalter und ein Bezugspotential gekoppelt ist. Bei der letztgenannten Ausführungsform kann zwischen die Entkopplungsdiode und das Bezugspotential ein Shunt zur Stromerfassung gekoppelt sein.

[0009] Die bereits erwähnte Steuervorrichtung kann ausgelegt sein, den Hochsetzstellerschalter derart anzusteuern, dass seine Einschaltzeit im stationären Betrieb unabhängig von der momentanen Spannung fest und die Pausenzeit variabel ist. Bevorzugt weist im letztgenannten Fall die Schaltungsanordnung eine Vorrichtung zur Erfassung des Richtungswechsels des Stroms durch die Hochsetzstellerdrossel auf, wobei die Steuervorrichtung ausgelegt ist, die Pausenzeit in Abhängigkeit vom Richtungswechsel des Stroms durch die Hochsetzstellerdrossel zu steuern. Dabei ist die Steuervorrichtung bevorzugt ausgelegt, den Hochsetzstellerschalter dann einzuschalten, wenn der erfasste Momentanwert des Stroms durch die Hochsetzstellerdrossel gleich Null ist.

[0010] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

[0011] Die im Vorhergehenden mit Bezug auf die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend, soweit anwendbar, für das erfindungsgemäße Verfahren.

Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)

[0012] Im Folgenden wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1

in schematischer Darstellung eine aus dem Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnung zum Betreiben mindestens eines Verbrauchers;

Fig. 2

den zeitlichen Verlauf des Netzstroms IN, der Spannung U_R1 am Shunt-Widerstand R1, der Spannung U_D am Drainanschluß des Transistors T1 sowie des Stroms I_L2a durch die Drossel L2a für die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung;

Fig. 3

den zeitlichen Verlauf der Spannung U_P am Punkt P sowie des Stroms I_L2a durch die Hochsetzstellerdrossel L2a für die Schaltungsanordnung von Fig. 1;

Fig. 4

in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Verbrauchers; und

Fig. 5

den zeitlichen Verlauf des Netzstroms IN, der Spannung U_R1 am Shunt-Widerstand R1, der Spannung U_D am Drainanschluß des Transistors T1 sowie des Stroms I_L2a durch die Drossel L2a für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung von Fig. 4.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

[0013] Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, wobei die mit Bezug auf Fig. 1 eingeführten Bezugszeichen für gleiche und gleich wirkende Elemente übernommen worden sind und nicht nochmals beschrieben werden. Die Ausführungsform der in Fig. 4 dargestellten Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung dadurch, dass seriell zum Hochsetzstellerschalter T1 eine Entkopplungsdiode D6 eingefügt ist.

[0014] Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist diese zwischen dem Punkt P und dem Hochsetzstellerschalter T1 eingefügt. Alternativ oder zusätzlich könnte eine Entkopplungsdiode zwischen dem Hochsetzstellerschalter T1 und dem Bezugspotential eingefügt sein. Durch diese Entkopplungsdiode D6, die bevorzugt möglichst kapazitätsarm ausgeführt ist, wird die negative Vorladung der Hochsetzstellerdrossel L2a deutlich verringert, im Optimalfall sogar völlig verhindert. Damit lässt sich der in Fig. 5 dargestellte, zeitliche Verlauf des Netzstroms IN erzielen, der nunmehr die Abplattung, siehe Fig. 2, nicht mehr aufweist.

Ansprüche

1. Schaltungsanordnung zum Betreiben mindestens eines Verbrauchers, umfassend:

- einen Versorgungsspannungsanschluss zum Anschließen einer Versorgungsspannung (U_N);

- einen Hochsetzsteller, der mit dem Versorgungsspannungsanschluss gekoppelt ist, wobei der Hochsetzsteller eine Hochsetzstellerdrossel (L2a), einen elektronischen Hochsetzstellerschalter (T1), eine Hochsetzstellerdiode (D5) und einen Hochsetzstellerkondensator (C3) aufweist; und

- einen Ausgangsanschluss (A1, A2) zum Anschließen des mindestens einen Verbrauchers,

dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaltungsanordnung weiterhin eine Entkopplungsdiode (D6) aufweist, wobei die Entkopplungsdiode (D6) seriell zum Hochsetzstellerschalter (T1) angeordnet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Entkopplungsdiode (D6) zwischen den Verbindungspunkt (P), über den die Hochsetzstellerdrossel (L2a) mit der Hochsetzstellerdiode (D5) gekoppelt ist, und den Hochsetzstellerschalter (T1) gekoppelt ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Entkopplungsdiode (D6) zwischen den Hochsetzstellerschalter (T1) und ein Bezugspotential gekoppelt ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen die Entkopplungsdiode (D6) und das Bezugspotential ein Shunt (R1) zur Stromerfassung gekoppelt ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaltungsanordnung weiterhin eine Steuervorrichtung (10) zur Steuerung des Hochsetzstellerschalters (T1) aufweist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuervorrichtung (10) ausgelegt ist, den Hochsetzstellerschalter (T1) derart anzusteuern, dass seine Einschaltzeit im stationären Betrieb und unabhängig von der momentanen Spannung fest und die Pausenzeit variabel ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaltungsanordnung eine Vorrichtung zur Erfassung eines Richtungswechsels des Stroms durch die Hochsetzstellerdrossel (L2a) aufweist, wobei die Steuervorrichtung (10) ausgelegt ist, die Pausenzeit in Abhängigkeit von dem Richtungswechsel des Stroms durch die Hochsetzstellerdrossel (L2a) zu steuern.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuervorrichtung (10) ausgelegt ist, den Hochsetzstellerschalter (T1) dann einzuschalten, wenn der erfasste Momentanwert des Stroms durch die Hochsetzstellerdrossel (L2a) gleich Null ist.

9. Verfahren zum Betreiben mindestens eines Verbrauchers an einer Schaltungsanordnung, die einen Versorgungsspannungsanschluss zum Anschließen einer Versorgungsspannung (U_N) umfasst, sowie einen Hochsetzsteller, der mit dem Versorgungsspannungsanschluss gekoppelt ist, wobei der Hochsetzsteller eine Hochsetzstellerdrossel (L2a), einen elektronischen Hochsetzstellerschalter (T1), eine Hochsetzstellerdiode (D5) und einen Hochsetzstellerkondensator (C3) aufweist, und einen Ausgangsanschluss (A1, A2) zum Anschließen des mindestens einen Verbrauchers,
gekennzeichnet durch folgenden Schritt:

Anordnen einer Entkopplungsdiode (D6) seriell zum Hochsetzstellerschalter (T1).

Zeichnung