13.2 Vorschaltgeräte und Wandler für Lampen
Elektronische
Vorschaltgeräte für Gasentladungslampen und Wandler für
Niedervolt-Halogenlampen bzw. elektronische Halogentrafos
gewinnen zunehmend an Bedeutung.
Obwohl es für alle Lampentypen
schon lange geeignete Trafos und Vorschaltdrosseln in 50-Hz-Technik
gibt, die sehr zuverlässig funktionieren, versucht man auch
hier, Gewicht, Platz und möglicherweise sogar Kosten zu
sparen.
Wandler für Lampen sind einfacher aufgebaut als
Netzteile mit Gleichspannungsausgang.
Sowohl Glüh- also
auch Gasentladungslampen können direkt mit hochfrequenter
Wechselspannung versorgt werden.
Dadurch entfällt der
sekundäre Gleichrichter.
Weiterhin ist bei Gasentladungslampen,
z. B. Energiesparlampen, meistens auch keine galvanische Trennung
zwischen Netzspannung und Lampe erforderlich, was den Aufwand weiter
verringert.
Neuerdings
werden auch wirtschaftliche Stromversorgungen für LED-Lampen
interessant.
Im
Wesentlichen handelt es sich bei den Lampenwandlern um die in den
vorangegangenen Kapiteln bereits beschriebenen Wandlertypen.
Es sind
lediglich einfache Anpassungen nötig.
13.2.1 Wandler für LED-Lampen
Wenn ich mit
den kleinsten Leistungen anfange, komme ich zuerst zu den LEDs.
Eine
LED muss mit einem konstanten Strom versorgt werden.
Üblicherweise
wird eine LED mit einem Vorwiderstand beschaltet, an dem die
Spannungsdifferenz zwischen Versorgungsspannung und
LED-Flussspannung abfällt.
In Geräten, in denen
Kleinspannungen von 5–24 Volt zur Verfügung stehen, ist das auch
kein Problem und dort lohnt es meistens auch nicht, sich Gedanken
über Alternativlösungen zu machen.
Interessant wird es
allerdings, wenn nur sehr hohe (Netzspannung) oder sehr niedrige
Spannungen, wie z. B. in einer LED-Taschenlampe, zur Verfügung
stehen.
Darüber hinaus ist es natürlich auch bei
LED-Lampen mit höherer Leistung nicht sinnvoll, einen Großteil
der Leistung in Vorwiderständen zu verheizen.
Hier wird man,
falls nötig, die Spannung mit einem Step-Down-Wandler möglichst
genau auf die optimale Versorgungsspannung herunterregeln.
Wenn
man
eine LED direkt mit Netzspannung betreiben will, wird man zunächst
versuchen eine Low-Current-LED zu verwenden.
Diese gibt bereits bei
einem Strom von 2 mA ihre normale Helligkeit ab.
Da könnte
man sogar noch einen Vorwiderstand verwenden, an dem aber fast die
gesamte Spannung abfällt.
Bei 230 Volt müssen dann
immerhin 460 mW bei minimaler Nutzleistung verheizt werden.
Das
wäre zumindest im Dauerbetrieb nicht akzeptabel.
Günstiger verhält es
sich, wenn man einen LED-Cluster versorgen will.
Dann schaltet man so
viele LEDs in Serie, dass nur noch ein geringer Spannungsabfall am
Vorwiderstand abfällt, sodass der Verlust im Vergleich zur
Gesamtleistung nicht mehr so sehr ins Gewicht fällt.
In Bild 13.2.1a ist diese einfache LED-Versorgung an Netzspannung zu sehen.
Um beide Halbwellen zu nutzen, muss den LEDs ein Brückengleichrichter
vorgeschaltet werden.
Der Gleichrichter lässt sich i. d. R. aus
vier Universaldioden vom Typ 1N4148 aufbauen, solange die
Gesamtflussspannung der in Serie geschalteten LEDs deutlich unter 100
Volt liegt.
Die LEDs dürfen dann allerdings auch nicht unterbrochen werden,
da sonst die volle Netzspannung am Gleichrichter anliegt.
Bei höherer Gesamtflussspannung ist
außerdem zu beachten, dass dann die Spannungsdifferenz am
ohmschen oder kapazitiven Vorwiderstand abnimmt.
Für maximale Helligkeit muss dann der Vorwiderstand verkleinert
bzw. die Kapazität vergrößert werden.
Die LEDs können mit dem ungesiebten Netzstrom betrieben werden und haben dann
eine Flimmerfrequenz von 100 Hz, was in den meisten Fällen ausreichend ist.
Darf die Lampe nicht flimmern, muss dem Gleichrichter ein Siebelko
nachgeschaltet werden.
Dieser darf allerdings nicht direkt parallel zur LED geschaltet werden,
sondern muss über einen Widerstand von ca. 470 Ohm bei 20-mA-LEDs und
4,7 kOhm bei 2-mA-LEDs entkoppelt werden.
Dies ist nötig, damit sich der Elko um ca. 10 Volt über die Flussspannung
aufladen kann und dessen Restbrummspannung nur geringe
Helligkeitsschwankungen verursacht.
Bild 13.2.1a: Direktbetrieb von LEDs an 230 Volt Netzspannung
Wollte man 20-mA-LEDs mit ohmschem Vorwiderstand an Netzspannung betreiben,
müsste man mit einer Verlustleistung von bis zu 4,6 Watt rechnen.
Das ist natürlich auch bei gelegentlicher Benutzung nicht sinnvoll.
Hier kann der Hilfsspannungswandler aus Bild 13.1.1b
zum Einsatz kommen.
Durch einen 0,33-µF-Kondensator, der ja
nicht allzu groß ist, fließt bei 230 Volt Netzspannung
ein Strom von ca. 20 mA.
Damit lassen sich die meisten LEDs betreiben.
Da beim Einschalten ein erheblicher Ladestrom in den
Kondensator fließen kann, muss ein Schutzwiderstand mit ca. 470 Ohm
in die Netzleitung eingefügt werden.
Wenn sich der Kondensator nicht über eine geräteinterne Last entladen
kann, muss noch ein Entladewiderstand von ca. 1 MOhm parallel zur
Netzspannung oder zum Kondensator geschaltet werden.
Das verhindert Stromschläge nach dem Ausschalten des Gerätes.
Für größere LED-Lampen mit höherem Betriebsstrom empfehle
ich, die Netzspannung gleichzurichten und z. B. den
Hochfrequenzwandler aus Bild 13.1.2b
zur Versorgung zu verwenden.
Dieser ungeregelte Wandler kann so dimensioniert werden,
dass er ungefähr den benötigten LED-Strom liefert.
Die Zenerdiode zur Spannungsbegrenzung kann entfallen, wenn
sichergestellt ist, dass die LEDs immer angeschlossen bleiben.
Bei batteriebetriebenen LED-Lampen besteht oft der Wunsch, die LED mit
einer einzelnen Batterie- oder Akkuzelle zu betreiben.
Da sich mit einer Zellenspannung von 1,2 oder 1,5 Volt keine LED betreiben
lässt, ist hier ein Aufwärtswandler erforderlich.
Basierend auf dem 9-Volt-Blockbatterie-Emulator aus
Bild 6.2g
in Kapitel 6 kann man mit einer Einzelzelle auch
eine LED betreiben, wie in Bild 13.2.1b zu sehen ist.
Bild 13.2.1b: LED-Speisung aus einer Akku-Einzelzelle ohne und mit Stromregelung
Da sich bei dieser Schaltung der LED-Strom nicht ohne weiteres regeln lässt,
wurde auf die Regelung in der einfachen Version (links) ganz verzichtet.
Stattdessen muss der LED-Strom indirekt über den
Basisstrom des Schalttransistors eingestellt werden.
Die Ausgangsspannung für die LED wird nicht gleichgerichtet.
Dadurch erspart man sich nicht nur zusätzlichen Aufwand, sondern
vermeidet auch eine unnötige Verschlechterung des
Wirkungsgrades durch die Flussspannung der Gleichrichterdiode.
Soll der Strom geregelt werden, damit keine Einstellarbeiten nötig
sind, ist eine etwas aufwendigere Schaltung nötig (rechts).
Das lohnt sich vor allem, wenn mehrere LEDs in Serie geschaltet werden sollen.
Dann kann man die Ausgangsspannung ohne wesentliche
Verschlechterung des Wirkungsgrades mit einer Schottky-Diode
gleichrichten und auch den Spannungsabfall von ca. 0,6 Volt am
Strommesswiderstand R2 in Kauf nehmen.
Die Regelung setzt ein, sobald die Spannung an R2 0,6 Volt übersteigt,
weil dann die Differenz zur Betriebsspannung auch gerade 0,6 Volt
unterschreitet und T2 zu sperren beginnt.
Wenn T2 sperrt, bekommt T1 weniger Basisstrom und schaltet bei einem geringeren
Strom in die Sperrphase, wodurch die Ausgangsleistung reduziert wird.
Die Regelung ist relativ ungenau und auch stark von der Eingangsspannung
beeinflusst.
Als Spannungsquelle würde ich deshalb eine NiCd- oder NiMH-Zelle empfehlen,
die sich durch eine relativ stabile Zellenspannung auszeichnen.
13.2.2 Wandler für Gasentladungslampen
Der interessanteste Anwendungsbereich für getaktete
Lampenstromversorgungen sind die Gasentladungslampen, von denen
es vielfältige Variationen gibt.
Das Funktionsprinzip ist immer ähnlich.
Wegen der besonderen Kennlinie dieser Lampen muss der
Wandler prinzipiell kurzschlussfest sein.
Da sich die Lampen elektrisch nicht so gut abschirmen lassen
und auch die Abmessungen recht groß sein können, wird man möglichst Wandler
mit sinusförmigen Ausgangsspannungen einsetzen, um EMV-Probleme zu vermeiden.
Als Alternative, vor allem bei sehr großen Lampen bzw. langen Röhren
wäre noch ein Gleichspannungsbetrieb denkbar.
Bei Laserröhren ist das im Normalfall sogar notwendig.
Die unterschiedlichen Lampentypen erfordern entsprechende Eigenschaften
des Wandlers.
Die wichtigsten möchte ich hier einmal im Überblick beschreiben.
- Leuchtstoff- und Energiesparlampen
Diese Quecksilberdampf-Niederdrucklampen besitzen je eine Heizwendel an
jedem Röhrenende.
Die Heizwendel ermöglicht in Verbindung mit einer Edelgasfüllung
eine niedrige Startspannung, sodass kein besonderer Zündimpuls benötigt wird.
Das Vorschaltgerät soll dafür sorgen, dass die Heizwendel nach
dem Zünden der Röhre möglichst stromlos ist.
Zum Zünden und zum Betrieb solcher Lampen sind Wechselspannungen in
der Größenordnung der Netzspannung erforderlich.
Der gängige Leistungsbereich erstreckt sich etwa von 5–60 Watt.
- Kaltkathoden-Floureszenzröhren (CCFL = Cold Cathode Fluorecence Lamp)
Hier handelt es sich eigentlich auch nur um Leuchtstofflampen, jedoch ohne
Heizwendel, wie der Name schon vermuten lässt.
Wegen der fehlenden Heizwendel können diese Röhren sehr dünn
gebaut werden.
Üblich sind Durchmesser von 1,8 bis 4 mm und Längen bis über 300 mm.
Der Nachteil ist, dass die Lampen über eine hohe Spannung gezündet werden müssen.
Ein geeigneter Wandler muss deshalb eine sehr hohe Leerlaufspannung im
kV-Bereich erzeugen.
Die Brennspannung liegt, je nach Röhrenlänge, bei einigen 100 Volt.
Die Lampenleistung liegt i. d. R. unter 10 Watt.
- „Neonröhren“
Neonröhren sind im Prinzip genauso aufgebaut und haben ähnliche
Eigenschaften wie die CCFLs, jedoch wesentlich höhere
Leistungen.
„Echte“ Neonröhren sind mit Neon gefüllt und geben ein oranges Licht ab.
Zur Erzeugung anderer Farben benutzt man entweder andere Edelgase oder einen
Quecksilberzusatz in Verbindung mit einem Leuchtstoff auf der Röhreninnenseite.
Letzteres wäre dann nichts anderes als eine große CCFL.
Sie benötigen Zündspannungen bis zu etwa 10 kV und können
Brennspannungen bis in den kV-Bereich haben.
Die üblichen Leistungen dürften im Bereich 20–500 Watt liegen.
Laserröhren verhalten sich ähnlich, müssen aber im Normalfall mit einem
stabilen Gleichstrom versorgt werden.
Das macht den Wandler etwas aufwändiger.
- Hochdruck-Bogenlampen
In diese Rubrik fallen alle Hochdruck-Metalldampflampen sowie die mit Xenon
oder Quecksilberdampf gefüllten Höchstdruck-Kurzbogenlampen
für hochwertige Projektionsanwendungen.
Bogenlampen sind durch ihre geringe Brennspannung und ihren hohen
Betriebsstrom gekennzeichnet.
Die Brennspannung kann bei rund 50 Volt liegen, bei
Kurzbogenlampen sogar unter 20 Volt.
Bogenlampen werden eher für
hohe Leistungen über 100 Watt bis in den kW-Bereich gebaut.
CCFLs werden häufig zur Hintergrundbeleuchtung von TFT-Displays benutzt.
Wegen der geringen Leistung und der in solchen Geräten
immer vorhandenen Kleinspannungen ist es üblich, CCFL-Wandler
mit 12 Volt zu betreiben.
Solche Wandler werden im allgemeinen Sprachgebrauch auch Inverter genannt.
Einfache Inverter sind ungeregelt und nicht dimmbar.
Als einfachste Version habe ich den in Bild 11.2b
beschriebenen Sinuswandler nahezu unverändert für den
CCFL-Inverter in Bild 13.2.2a übernommen.
Damit eine CCFL sicher zündet, muss zunächst eine hohe Spannung angelegt
werden.
Der Invertertrafo liefert deshalb eine Leerlauf-Spitzenspannung von rund 2 kV.
Im Betrieb bricht die Brennspannung der Lampe auf einige 100 Volt zusammen.
Ideal wäre hier die Verwendung eines Streutrafos, der einen definierten
Lampenstrom fließen lassen würde, ohne den Wandler zu überlasten.
Wegen der hohen Frequenz von 30–50 kHz ist es in
diesem Fall aber einfacher, einen kleinen Kondensator als
verlustarmen Vorwiderstand in Serie zur Lampe einzufügen.
Bei der Dimensionierung der Schaltung ist darauf zu achten, dass der vom
Hersteller angegebene Lampenstrom nicht überschritten wird.
Nur dann kann man mit der bei CCFLs üblichen Lebenserwartung von
etwa 20.000 h rechnen.
Bild 13.2.2a: Einfacher Wandler (Inverter) für CCFLs
Die Betriebsspannung des ungeregelten Inverters beeinflusst
direkt den Lampenstrom und muss daher einigermaßen stabil
oder besser geregelt sein.
Beim Trafo sind gewisse Regeln für den Bau von Hochspannungstrafos zu beachten.
Wegen der geringen Baugröße kann es sonst leicht zur Zerstörung
des Trafos durch Hochspannungsüberschläge kommen.
Das ist übrigens auch eine sehr häufige Ausfallursache
von Invertern in Display-Beleuchtungen von Notebooks,
bei denen dieses Problem durch die besonders geringe Baugröße
der Trafos noch verschärft wird.
Darauf komme ich aber in Kapitel 13.3 zurück.
Die Hochspannung in Verbindung mit der hohen Frequenz
macht es auch erforderlich, dass der Inverter
möglichst in der Nähe der Lampe angebracht wird.
Lange Leitungen können nicht nur zu EMV-Problemen führen,
sondern auch zu einer hohen kapazitiven Belastung des Trafos.
Für höhere Anforderungen an den Inverter muss die Schaltung etwas
aufwendiger gestaltet werden.
In Bild 13.2.2b ist ein geregelter Inverter zu sehen,
wie man ihn z. B. zur Hintergrundbeleuchtung in TFT-Displays einsetzen könnte.
Um die maximale Lebensdauer der Röhre zu erreichen,
wird der Lampenstrom geregelt.
Dazu muss die Betriebsspannung des Wandlers
mit einem Step-Down-Wandler steuerbar sein.
Außerdem ist der Wandler mit einem Dimmereingang versehen,
womit die Lampenstrom mit einer Steuerspannung von 0–5 Volt
im Bereich 1–2 mA geregelt werden kann.
Natürlich ist auch ein Disable-Eingang vorhanden, mit dem
man den Wandler ganz ausschalten kann.
Zusätzlich wird die Regelung von einer Schutzschaltung überwacht.
Im Fall einer Störung wie defekter Lampe, Unterbrechung der Lampe,
Hochspannungsüberschlag im oder außerhalb des Trafos
wird der Wandler ebenfalls abgeschaltet.
Dadurch können evtl. Folgeschäden vermieden werden.
Bild 13.2.2b: Dimmbarer geregelter CCFL-Inverter mit Schutzschaltung
Wichtigster Bestandteil der Regelschaltung ist der Step-Down-Wandler,
der die Versorgungsspannung des Sinuswandlers steuern kann.
Das Grundprinzip habe ich schon in Bild 11.2e gezeigt.
Als Speicherdrossel wird wieder die Drossel des
Sinuswandlers mitbenutzt.
Um einen N-Kanal-MOSFET benutzen und einfach ansteuern zu können,
wurde der Sinuswandler direkt mit der positiven Betriebsspannung verbunden.
Der MOSFET wird mit einem Standard-Komparator angesteuert,
von denen sich zwei in einem LM393 befinden.
Der nichtinvertierende Eingang wird von T3 angesteuert,
der mit C4 und R9 einen Integrator bildet.
Nach dem Einschalten ist C4 zunächst ungeladen,
sodass am Eingang des Komparators eine sehr niedrige Spannung anliegt.
Da an R13 keine Spannung anliegt,
steigt die Spannung am Kollektor langsam an,
bis schließlich der Komparator T4 durchschaltet.
Der Sinuswandler beginnt nun zu schwingen,
und es kann ein Strom durch die Lampe fließen.
An den Emittern von T1 und T2 liegt eine nach unten
umgeklappte Sinusspannung mit doppelter Schwingfrequenz an.
Diese wird über R11 auf den invertierenden Eingang des
Komparators eingekoppelt und ermöglicht so eine zur
Sinusschwingung synchrone PWM-Modulation.
Mit zunehmender Kollektorspannung von T3 erhöht sich
die Einschaltdauer von T4, bis dieser schließlich voll durchschaltet.
Der Lampenstrom wird von D3 und D4 gleichgerichtet und mit C5 gesiebt.
Da nur eine Halbwelle des Lampenstromes ausgewertet wird,
fließt durch R14 nur der halbe Lampenstrom.
Ist dieser so hoch, dass an R14 etwa 5 Volt abfallen, setzt die Regelung ein.
ZD wird leitend und sobald an R13 etwa 0,7 Volt abfallen,
kann sich C4 wieder entladen.
Die Kollektorspannung von T3 fällt dann soweit ab,
bis sich ein stabiles Gleichgewicht einstellt.
Wenn man nun am Dimmereingang des Inverters eine Spannung unter 5 Volt anlegt,
kann ein Teil des Lampenstromes auch über R8 abfließen.
Entsprechend der Dimmspannung erhöht sich dann der Lampenstrom.
R14 bestimmt dabei den minimalen und R8 den maximalen Strom.
Eine Logikspannung von 5 Volt auf dem Disable-Eingang „dis“
schaltet über D1 den Integrator in die Begrenzung,
sodass die Kollektorspannung von T3 und damit auch die
Einschaltdauer des PWM-Modulators auf null heruntergefahren wird.
Kann der vorgesehene Lampenstrom aufgrund einer Störung nicht erreicht werden,
wird die Kollektorspannung von T3 weit über den Regelbereich hinaus ansteigen.
Bei ¾ der Betriebsspannung wird T4 über den zweiten Komparator permanent gesperrt.
Eine Reaktivierung des Wandlers ist nur durch eine kurzzeitige Unterbrechung der
Betriebsspannung oder vorübergehende Abschaltung über den „dis“-Eingang möglich.
Eine weitere wichtige Anwendung elektronischer Vorschaltgeräte ist die
Versorgung von Energiesparlampen für den normalen Hausgebrauch.
Da diese Vorschaltgeräte, kurz EVGs,
häufig direkt in den Lampensockel eingebaut werden,
kommt es auf eine sehr kompakte Bauweise an.
Energiesparlampen sind genauso aufgebaut wie normale Leuchtstofflampen
und brauchen aufgrund ihrer Heizwendeln ebenfalls nur eine geringe Zündspannung.
Eine galvanische Netztrennung ist in einer kompakten Lampe unnötig.
Zum Einsatz kommt eine Schaltung ähnlich der
aus Bild 8.3e
in Kapitel 8,
deren Funktionsweise allerdings vor dieser abweicht:
In der u. a.
Schaltung wird der Steuertrafo grundsätzlich nicht in die Sättigung gefahren.
Der Steuertrafo agiert nur als Stromwandler und
schaltet die Transistoren genau im Stromnulldurchgang um.
In Verbindung mit einem Serienschwingkreis in Serie zur Last
arbeitet die Schaltung dann als selbstschwingender ZCS-Resonanzwandler.
L2 und C5 bilden einen frequenzbestimmenden Serienschwingkreis,
dessen Resonanzfrequenz bei ca. 40 kHz liegt.
Solange die Lampe nicht gezündet hat,
führt dies zu einem hohen Resonanzstrom, der die Heizwendeln aufheizt.
Gleichzeitig entsteht auch eine relativ hohe Spannung an C5,
die zur Zündung der Röhre führt.
Ist die Röhre einmal gezündet, bricht die Spannung an C5
zusammen und auch der Strom wird niedriger.
Der Lampenstrom wird dann vorwiegend durch den Blindwiderstand
der Drossel L2 bestimmt.
Die Heizwendeln können so nach der Zündung wieder abkühlen.
Bild 13.2.2c: Elektronisches Vorschaltgerät für Energiesparlampen
Um die Abmessungen der Schaltung klein zu halten, werden auch
Entstörmaßnahmen auf ein Minimum reduziert.
Hier bestehen sie aus L1 und dem zusätzlichen Kondensator C2.
Bei Billigprodukten fehlt manchmal selbst das.
Natürlich muss so eine Schaltung auch eine Sicherung haben.
Diese Funktion kann R1 oder eine zusätzliche Feinsicherung
von 0,5 bis 1 A übernehmen.
Bei der Verwendung von Sicherungswiderständen ist darauf zu
achten, dass diese nicht brennbar sind.
Als Sicherungswiderstand für
R1 eignet sich ein Drahtwiderstand von 1–2 Watt.
Gasentladungslampen werden auch für wesentlich höhere Leistungen gebaut.
Sehr weit verbreitet sind z. B. die Quecksilberdampf-Hochdrucklampen.
Genau wie die Leuchtstofflampen erzeugen sie zunächst ein intensiv
blau-grünes Licht mit hohem UV-Anteil.
Bei Verwendung für Beleuchtungszwecke wird der kleine Quarzglaskolben in einen
größeren ovalen Glaskolben mit Leuchtstoffbeschichtung eingebaut.
Der Leuchtstoff wandelt das UV-Licht in das im Spektrum
der Quecksilberdampflampe fehlende Rotlicht um.
Zusammen ergibt sich dann wieder weißes Licht.
Hochdruck-Bogenlampen arbeiten
auch bei hohen Leistungen mit relativ niedrigen Brennspannungen.
Deshalb werden sie üblicherweise direkt an der Netzspannung mit
einer 50-Hz-Vorschaltdrossel betrieben.
Da solche Drosseln sehr schwer und groß sind, lohnt es sich auch hier,
ein elektronisches Vorschaltgerät einzusetzen.
Von den vielen Möglichkeiten, einen der in den vergangenen Kapiteln
beschriebenen Wandlern einzusetzen, möchte ich hier einen
Sinuswandler zeigen.
Zwar ist der Aufwand des Sinuswandlers an passiven Leistungsbauteilen
(Trafo und Drossel) etwas höher als bei anderen Wandlertypen,
dafür ist der Wandler aber sehr einfach aufgebaut und zeichnet sich
durch eine sehr zuverlässige Funktion aus.
Ein einfacher, netzbetriebener 250-Watt-Sinuswandler
für Bogenlampen, wie z. B. Quecksilberdampf-Hochdrucklampen,
ist in Bild 13.2.2d zu sehen.
Der Wandler basiert auf dem in Bild 11.2c
beschriebenen Sinuswandler mit bipolaren Schalttransistoren.
Zur Verbesserung des Wirkungsgrades wurden sehr schnelle Transistoren
vom Typ BUH515 eingesetzt.
Im Prinzip eignen sich aber alle Typen ohne Inversdiode,
die für den Einsatz in Zeilenendstufen kleiner Monitore bei
Frequenzen über 30 kHz gedacht sind.
Bild 13.2.2d: Elektronisches HQL Vorschaltgerät für 250-Watt-Lampe
Die Netzspannung wird zunächst mit einem konventionellen
Netzgleichrichter gleichgerichtet und an C2 steht dann eine
Gleichspannung von 300–320 Volt zur Verfügung.
Wegen der niedrigen Windungszahlen wird in W2 eine Spannung von bis zu 15 Volt
induziert, obwohl sie nur eine Windung hat.
Diese Spannung ist eigentlich zu hoch, um damit einen bipolaren Transistor
anzusteuern.
Deshalb wird noch jeweils eine Schottky-Diode in die Emitter der
Transistoren T1 und T2 eingefügt.
Die Emitterdioden erlauben eine negative Basisspannung von über 20 Volt,
ohne dass die Schaltgeschwindigkeit dadurch beeinträchtigt wird.
Wegen der hohen Steuerspannung muss auch R2 etwas hochohmiger ausfallen und
sollte eine Belastbarkeit von etwa 1 Watt haben.
Eine Besonderheit ist auch beim Trafo zu beachten.
Da die Schaltung im Normalfall nicht kurzschlussfest wäre, kann man die Lampe
eigentlich nicht ohne zusätzliche Vorschaltdrossel betreiben.
In diesem Fall ist die Streuinduktivität des Trafos allerdings so hoch,
dass er dauerkurzschlussfest ist.
Um das zu erreichen, wurde ein Doppel-U-Kern benutzt wie man in normalerweise
in Zeilen- und Hochspannungstrafos von Fernsehgeräten und Monitoren verwendet.
Die Spulen W1 und W2 werden auf den einen und W3 auf den anderen
Schenkel des Kernes gewickelt.
Der Trafo erhält dann allein durch die Entfernung der Spulen voneinander
eine genügend große Streuinduktivität.
Eine galvanische Netztrennung der Lampe erhält man nebenbei auch noch.
Dieser Wandler ist prinzipiell auch für andere Gasentladungslampen geeignet.
Mit einer entsprechend hohen Windungszahl für W3 lässt er sich auch
als Hochspannungsgenerator für Neonröhren verwenden.
Ein Nachteil der Schaltung ist allerdings, dass sie noch keine
Leistungsfaktorkorrektur besitzt.
Für den Groß- und Dauereinsatz ist sie daher nicht geeignet.
Eine vorgeschaltete Leistungsfaktorkorrektur ist jedoch für ein einfaches
Vorschaltgerät aus Kostengründen meistens nicht realisierbar.
Denkbar wäre aber z. B. eine zentrale
Leistungsfaktorkorrektur hoher Leistung für mehrere Lampen,
die die einzelnen Vorschaltgeräte mit Gleichspannung versorgt.
Das hätte auch den Vorteil, dass eine relativ stabile
Versorgungsspannung eine gute Anpassung der Vorschaltgeräte an
die Lampendaten ermöglicht, was sich positiv auf deren
Lebenserwartung auswirkt.
Ein Kompromiss wäre es noch, den Wandler direkt an der ungesiebten
Netzgleichspannung zu betreiben.
Genau wie bei den 50-Hz-Vorschaltdrosseln ist es auch bei den EVGs
nicht notwendig, mit einer kontinuierlichen Gleichspannung zu arbeiten.
Der Vorteil ist, dass der große und teure Siebelko entfällt und auch der
Netzstrom nicht mehr so stark verzerrt ist.
Da sich der Lampeninnenwiderstand keineswegs wie ein ohmscher Widerstand
verhält, ist allerdings auch kein sinusförmiger Stromverlauf zu erwarten.
In Bild 13.2.2e ist ein Wandler für eine 250-Watt-HQL
zu sehen.
Auf eine galvanische Netztrennung der Lampe wurde diesmal verzichtet.
Das ist meistens auch nicht notwendig.
Dafür wird jetzt nur noch eine Drossel für die
Strombegrenzung in der Lampe benötigt.
Für den Betrieb an ungesiebter Gleichspannung sind selbstschwingende Wandler
wie z. B. der Sinuswandler nicht so gut geeignet.
Deshalb fiel die Wahl auf den Gate-Treiber-IC IR2153 mit eingebautem Oszillator.
Dieser erzeugt unabhängig von der aktuellen Netzspannung eine stabile
Schaltfrequenz von ca. 30 kHz.
Solange die Lampe noch nicht gezündet hat, liegt die Ausgangsspannung
der Halbbrücken-Endstufe an der Lampe an.
C7 bildet mit der Spule einen Serienschwingkreis, der die
Spannung an der Lampe noch einmal erhöht und eine Zündung begünstigt.
Die Resonanzfrequenz ist etwa auf die doppelte
Schaltfrequenz ausgelegt, sodass im Fall einer Unterbrechung der
Lampe nicht die Gefahr einer „Resonanzkatastrophe“ besteht.
Bild 13.2.2e: Elektronisches HQL Vorschaltgerät mit IR2153
Zur Versorgung des IR2153 wird dieser zunächst mit dem
Anlaufwiderstand R2 versorgt.
Sobald der IC-interne Unterspannungsdetektor eine genügend hohe
Betriebsspannung erkennt, schaltet sich der Generator ein.
Zur weiteren Versorgung des ICs wird über C4 die Ausgangsspannung
der Halbbrücke abgegriffen, der Blindstrom mit D2 und D3 gleichgerichtet
und der Betriebsspannung des IC zugeführt.
Diese Versorgungsmethode ist nur zulässig, wenn eine induktive Last der
Halbbrücke sichergestellt ist.
Wäre das nicht der Fall, müsste die in
C4 auftretende Blindleistung in den Transistoren in Wärme
umgesetzt werden.
Dann könnte man auch gleich einen ohmschen Vorwiderstand nehmen.
Bei induktiver Last kann die Blindleistung
zwischen C4 und der Spule L hin und her pendeln.
Die Spule muss so bemessen sein, dass der Lampenstrom möglichst genau
den Vorgaben des Herstellers entspricht.
Bei einer 250-Watt-Lampe sind das rund 3 Ampere im kalten Zustand
und etwa 2 Ampere bei Erreichen der Betriebstemperatur.
13.2.3 Wandler für Halogenlampen
Auch bei Niedervolt-Halogenlampen kann es sinnvoll sein, elektronische
Vorschaltgeräte (Elektronische Halogentrafos) zu verwenden.
Da konventionelle 50-Hz-Halogentrafos sehr einfach aufgebaut und billig
sind, macht ein elektronischer Halogentrafo nur Sinn, wenn ein
50-Hz-Trafo zu schwer und/oder zu groß wäre, ein Softstart
oder eine Regelung der Lampenspannung erforderlich ist.
Zwar lassen sich Halogenlampen auch für 230 Volt bauen,
die dünndrahtigen Glühwendeln brauchen aber viel Platz,
damit sie sich nicht berühren und damit man noch Zwischenstützen
anbringen kann.
Eine konzentrierte Leuchtfläche, wie man sie für
Projektionszwecke benötigt, lässt sich nur mit einer
stabilen kompakten Wendel aus dickem Draht realisieren.
Deswegen werden Reflektor- und Projektionslampen meistens für
Betriebsspannungen von 12 oder 24 Volt gebaut.
In Bild 6.1l habe ich bereits einen
selbstschwingenden Step-Down-Wandler zur Versorgung einer
80-Volt-Halogenlampe mit einer stabilen Gleichspannung aus dem
230-Volt-Netz beschrieben.
Bei 12 oder 24 Volt Ausgangsspannung ist es allerdings nicht mehr sinnvoll,
einen Step-Down-Wandler zu verwenden.
Außerdem ist bei Niedervoltlampen meistens auch eine
galvanische Netztrennung erwünscht.
Da eine Halogenlampe
prinzipiell auch ohne Leistungsfaktorkorrektur einen sinusförmigen
Strom aufnimmt, sollte ein Wandler diesen Vorteil nutzen und die
sinusförmige gleichgerichtete Netzspannung nicht mit einem Elko
sieben, sondern mit einem konstanten Übersetzungsverhältnis
möglichst direkt auf die Lampe geben.
Man erspart sich so eine aufwändige Leistungsfaktorkorrektur,
die gerade bei höheren Leistungen erhebliche Mehrkosten verursachen würde.
Ein einfacher Wandler ist in Bild 13.2.2f zu sehen.
Der Wandler basiert auf einem ungeregelten Gegentakt-Flusswandler mit
Halbbrücken-Endstufe, wie ich ihn in Bild 8.3f
beschrieben habe.
Bild 13.2.3a: Elektronischer 250-Watt-Halogentrafo mit Softstart
Nach dem Einschalten wird der Wandler zunächst mit etwa der 5-fachen
Betriebsfrequenz gestartet.
Eine kleine Drossel in Serie zur Lampe begrenzt den Einschaltstrom, der bei
einer kalten Lampe möglicherweise unzulässig hoch werden könnte.
Nach der Anlaufphase steuert T3 die Frequenz langsam herunter bis auf die
Arbeitsfrequenz, die bei 25–30 kHz liegt.
Der Blindwiderstand der Drossel nimmt dann ebenfalls ab,
sodass der Wandler seine volle Leistung an die Lampe abgeben kann.
Die Drossel kann auch entfallen, wenn die sekundärseitige Streuinduktivität
eine ähnliche Größenordnung besitzt.
Ansonsten ist die Drossel auch ganz gut dazu geeignet, die ungeregelte
effektive Lampenspannung an die Halogenlampe anzupassen.
Hier wäre es z. B. auch ganz sinnvoll, die Drossel mit einem
einstellbaren Ferrit-Schraubkern auszustatten.
Wegen der variablen Frequenz ist es am einfachsten, die Versorgungsspannung
des Steuer-IC nach dem Anlauf direkt am Trafo abzunehmen.
Wegen der hohen Schaltfrequenz ist es wichtig,
dass sich die Lampe dicht neben dem Trafo befindet.
Lange Leitungen erhöhen nicht nur die Induktivität, sondern bilden auch eine
Antenne, die eine potentielle Störquelle darstellt.
Ein Nachteil des beschriebenen ungeregelten Halogentrafos ist, dass die
Ausgangsspannung abhängig von der Ausgangslast und der Netzspannung ist.
Wenn die Netzspannung etwas erhöht ist,
kann die Lebenserwartung der Lampe schon erheblich leiden.
Das gleiche gilt, wenn mehrere Lampen parallel geschaltet werden sollen
und eine oder mehrere Lampen zeitweise oder dauerhaft entfallen,
z. B. weil sie durchgebrannt sind.
Die noch intakten Lampen bekommen dann eine zu hohe Betriebsspannung
und brennen ebenfalls nach kurzer Zeit durch.
Weiterhin ist die Helligkeit der Lampe nicht stabil, was
z. B. in Belichtungsgeräten sehr störend ist.
Aus diesen Gründen ist es sinnvoll, die Ausgangsspannung zu regeln.
Ein verbesserter Halogentrafo mit geregelter Ausgangsspannung
ist in Bild 13.2.2g zu sehen.
Da die Ausgangsspannung keine Gleichspannung ist,
muss die Effektivspannung gemessen werden.
Das realisiert man normalerweise mit teuren Spezial-ICs,
die die Spannung zunächst quadrieren, den Mittelwert bilden
und daraus wieder die Quadratwurzel ziehen, genau,
wie der Effektivwert auch definiert ist.
Einfacher geht das mit einer Lampe,
deren Helligkeit direkt von der Effektivspannung abhängt.
Das liegt daran, dass der Effektivwert sinnvollerweise so definiert wurde,
dass die effektive Wechselspannung genau der Gleichspannung entspricht,
die in einem ohmschen Verbraucher die gleiche Verlustleistung produzieren würde.
Bild 13.2.3b: Resonanzwandler als geregelter elektronischer 250-Watt-Halogentrafo
Die kleine Messlampe wird parallel zu den eigentlichen Lampen geschaltet und
bildet zusammen mit einem Fototransistor einen Optokoppler.
Um eine lange Lebensdauer der Messlampe zu gewährleisten,
sollte sie mit erheblicher Unterspannung betrieben werden,
sodass sie gerade rotglühend ist.
Fototransistoren sind bereits im
Infrarotbereich so empfindlich, dass sie von dem Licht einer schwach
rotglühenden Wendel gut angesteuert werden können; ggf.
muss noch ein Widerstand (R9) in Serie geschaltet werden.
Um Störeinflüsse durch Fremdlicht zu vermeiden, muss die
Messlampe mit dem Fototransistor in einem lichtdichten Gehäuse
untergebracht werden.
Das kann im einfachsten Fall ein schwarzer
Schrumpfschlauch sein, der über die Messlampe und den
Fototransistor geschoben wird.
Da die Empfindlichkeit des
Fototransistors leicht temperaturabhängig ist, sollte die
Einstellung der Lampenspannung immer im betriebswarmen Zustand
erfolgen.
Der Fotostrom im Fototransistor fließt durch R2
und das Poti P und verursacht dort einen Spannungsabfall.
Ist dieser Spannungsabfall größer als 2,5 Volt, schaltet der
Shunt-Regler durch und sperrt T3, wodurch sich die Schaltfrequenz
erhöht.
Da die Steuerung der Lampenleistung ohnehin über die Frequenz erfolgt,
ist es sinnvoll, den Wandler gleich als normalen Resonanzwandler aufzubauen.
Dadurch erreicht man im Vergleich zu einer einfachen Drossel
in Serie zu den Lampen einen wesentlich größeren Regelbereich.
Günstig ist auch das lineare Übertragungsverhalten
des Resonanzwandlers, sodass bei einer ohmschen Belastung der
Versorgungsstrom im Netz sinusförmig bzw. proportional zur
momentanen Eingangsspannung ist.
Solche Halogentrafos benötigen
also keine Leistungsfaktorkorrektur und können auch für
größere Anschlussleistungen ausgelegt werden.
Auf den Softstart kann hier wegen der strombegrenzenden
Eigenschaft des Resonanzwandlers verzichtet werden.
Zur Versorgung der Elektronik
wurde das einfache Versorgungsmodul aus Bild 13.1.2b eingesetzt.
Versuche haben gezeigt, dass dieses auch mit der ungesiebten
Gleichspannung einwandfrei funktioniert und deshalb keinen
zusätzlichen Siebelko mit Gleichrichterdiode benötigt.
Eine Versorgung der Elektronik über einen Anlaufwiderstand und
anschließend über den Trafo ist hier nicht so günstig.
Beim Kaltstart der Lampen kommt u. U. noch zu wenig Spannung aus dem
Trafo und der Gate-Treiber-IC schaltet gleich wieder ab, bevor die
Lampen ihre Betriebsspannung erreicht haben.
Dies könnte zu sehr
hartnäckigen Anlaufproblemen führen.
Mit P2 wird die niedrigste Schwingfrequenz auf ca. 30 kHz eingestellt.
Das ist die Resonanzfrequenz des aus Lr und C5 bestehenden
Schwingkreises.
Mit einem normalen Dimmer ist der Halogentrafo nicht dimmbar.
Stattdessen bietet die Regelschaltung aber eine einfache Möglichkeit,
die Helligkeit herunterzuregeln, ohne das Netz mit den bei Dimmern
üblichen Oberwellen zu verseuchen.
Das ist sogar sekundärseitig leicht möglich, indem man den Widerstand R9
durch ein Poti ersetzt.
Dabei ist darauf zu achten, dass das Poti nicht zu hochohmig
oder gar unterbrochen werden darf.
Wenn der Wandler nicht gerade an seiner Belastungsgrenze arbeitet,
würde dies zu einer erheblichen Überspannung führen
und die Lampen nach kurzer Zeit zerstören.
Eine Anpassung des Wandlers an andere Lampenspannungen ist
problemlos möglich.
Z. B. wird bei 24 Volt einfach nur die Windungszahl der
Sekundärspule auf 8 verdoppelt und R9 entsprechend vergrößert.
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