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Dokumentenidentifikation DE19608819C2 09.09.1999
Titel Elektrische Versorgungs-Schaltung für Lampen
Anmelder Heraeus Med GmbH, 63450 Hanau, DE
Erfinder Steckhan, Markus, 61440 Oberursel, DE
DE-Anmeldedatum 07.03.1996
DE-Aktenzeichen 19608819
Offenlegungstag 11.09.1997
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 09.09.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.09.1999
IPC-Hauptklasse H02P 13/06
IPC-Nebenklasse H05B 37/02   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine elektrische Versorgungs-Schaltung für wenigstens eine Lampe, insbesondere für eine Leuchte für medizinische Anwendungen, die an Wechselspannungsnetzen unterschiedlicher Versorgungsspannungen betrieben werden kann, wobei die Versorgungs- Schaltung wenigstens ein steuerbares Schaltglied aufweist.

Aus der EP 0 201 624 A2 ist ein Vorschaltgerät für Leuchtstofflampen bekannt, bei dem eine Brückenschaltung zur Stromversorgung der Lampe in Reihe mit einem sensorgesteuerten Schaltglied und einer Induktivität geschaltet ist, wobei auch bei unterschiedlichen Netzspannungen von beispielsweise 110 Volt oder 220 Volt der Lampe ein definierter Strom zugeführt wird, der unabhängig ist von der Höhe der extern angelegten Spannung ist; um eine Kataphorese der Leuchtstofflampe zu verhindern, ist eine Brückenschaltung aus elektronischen Schaltern vorgesehen, die alternierend von einem logischen Steuerwerk angesteuert werden. Es handelt sich somit um eine verhältnismäßig aufwendige Schaltung.

Es ist weiterhin aus einer Veröffentlichung von Lando K. Moyer mit dem Titel "Circuit always applies correct operating voltage", Electronics, 21. September 1964 (Seite 77) bekannt, das Übersetzungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundär-Wicklung eines Transformators mittels Schaltglied zu verändern, wobei der Schaltzustand jeweils von der angelegten Versorgungsspannung abhängig ist; die Schaltung soll eine versehentliche Fehleinstellung zwischen Versorgungsspannung und Geräte-Eingangsspannung verhindern, wobei beispielsweise eine automatische Umschaltung zwischen 115 Volt und 230 Volt so durchgeführt wird, daß die an der Sekundärseite anliegende Geräte-Betriebsspannung nicht geändert wird.

Weiterhin sind aus dem Buch von Kilgenstein, Otmar "Schaltnetzteile in der Praxis", Vogel-Verlag, Würzburg, Seiten 235-270 Sperrwandler für Netzbetrieb bekannt, die steuerbare, elektronische Schalter - wie sie auch in der nachfolgend beschriebenen Versorgungsschaltung eingesetzt werden - aufweisen.

Weiterhin ist aus der DE 93 15 050 U1 ein Umschaltmodul zum stufenweisen Schalten von primärseitigen Anzapfungen eines Transformators bekannt, wobei primärseitige Anzapfungen des Transformators über Schaltglieder mit einer Umschaltlogik verbunden sind, die eine Ansteuerung der Schaltglieder vornimmt. Mittels des Umschaltmoduls soll ein stufenweises Schalten von primärseitigen Abzapfungen beispielsweise zur Steuerung der Helligkeit einer Halogenlampe vorgenommen werden, ohne daß in unerwünschter Weise Netzfrequenzbrummen auftritt. Die Schaltung ist mit einem eingangsseitigen strombegrenzenden Widerstand versehen. Es handelt sich dabei um eine verhältnismäßig aufwendige Schaltung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine möglichst einfache Versorgungsschaltung für Lampen, insbesondere für niederspannungsbetriebene Lampen als Temperaturstrahler in medizinischen Leuchten anzugeben, die einen einfachen, robusten Aufbau aufweist und mögliche Fehlanpassungen an das jeweilige Wechselspannungsnetz - auch bei unterschiedlichen Versorgungsspannungen - oder Berührungsgefahren durch eine galvanische Abtrennung der Lampe vom Wechselspannungsnetz vermeiden soll.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Lampe an eine Sekundär-Wicklung eines Transformators angeschlossen ist, dessen Primär-Wicklung wenigstens drei Anschlüsse aufweist, von denen ein erster Anschluß an einen ersten Pol eines Stromkreises mit sich zeitlich ändernder Amplitude angeschlossen ist und wenigstens zwei weitere Anschlüsse auf Festkontakte eines Umschalters eines Relais zur Einstellung des Übersetzungsverhältnisses zwischen Primär- und Sekundär-Wicklung geführt sind,

wobei der Schaltkontakt des Umschalters mit dem zweiten Pol des Stromkreises sich zeitlich ändernder Amplitude verbunden ist und

die Position des Schaltkontakts von der Versorgungsspannung derart abhängig ist, daß bei Überschreiten einer vorgegebenen Spannung eine Umschaltung erfolgt,

wobei die Erregerwicklung des Relais über einen Gleichrichter mit dem Wechselspannungsnetz verbunden ist,

wobei im Stromkreis der Primärwicklung ein elektronischer Schalter vorgesehen ist, dessen Schaltstrecke in Reihe zur Schaltstrecke des Umschalters geschaltet ist,

wobei der Stromkreis der Primärwicklung über Ausgänge eines Gleichrichters gespeist wird und

der elektronische Schalter einen Steuereingang aufweist, der mit dem Stellsignal-Ausgang eines elektronischen Reglers verbunden ist, dessen Eingang über Meß-Anschlüsse mit einer zusätzlichen Sekundärwicklung des Transformators verbunden ist.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich, daß aufgrund der sekundärseitigen Niederspannung keine gefährlichen Berührungen, beispielsweise mit flüssigen Desinfektionsmitteln im medizinischen Bereich mehr möglich sind; darüberhinaus läßt der einfache Aufbau lange Wartungsintervalle und eine kostengünstige Herstellung zu.

Gemäß der Erfindung ist das Schaltglied als Relais ausgebildet, dessen Erreger-Wicklung über einen Gleichrichter sowie über Sicherung und Betriebsschalter mit dem Wechselspannungsnetz verbunden ist; dabei sorgt die an der Erregerwicklung des Relais anliegende Erregerspannung durch Aufrechterhaltung oder durch Umschaltung des Übersetzungsverhältnisses von Primär- zu Sekundär-Wicklung für eine Anpassung der Sekundärspannung an unterschiedliche Netz- Wechselspannungen; somit wird eine weitgehend an die Lampen-Nennspannung angepaßte Sekundärspannung erzielt. Im Stromkreis der Primär-Wicklung ist ein elektronischer Schalter vorgesehen, dessen Schaltstrecke in Reihe zum Schaltglied geschaltet ist, wobei der Stromkreis der Primär-Wicklung über Ausgänge eines weiteren Gleichrichters gespeist wird. Die Primär-Wicklung des Transformators wird mit einem Strom einer Impulsfolge im Bereich von 20 bis 40 kH gespeist.

Aufgrund der verhältnismäßig hohen Frequenz kann vorteilhafterweise der Transformator sehr klein gehalten werden.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, daß aufgrund der Regelungsmöglichkeit eine rasche Anpassung an die Versorgungsspannung zu erzielen ist, wobei jedoch die vom Relais benötigte Umschaltzeit durch eine Zeitverzögerung im Bereich von 50 ms berücksichtigt wird. Eine solche Schaltungsanordnung ist insbesondere für miniaturisierte elektrische Versorgungsschaltungen geeignet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben. Dabei erweist sich der verhältnismäßig einfache und störunanfällige Schaltungsaufbau als besonders vorteilhaft.

Nachfolgend ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt eine automatische elektromechanische Umschaltung für ein an einem elektronischen Netzteil angeschlossenen Transformator.

In der Schaltungsanordnung der nachfolgend erläuterten Figur ist ein steuerbarer Schalter eingesetzt.

Gemäß der Figur enthält der Stromkreis der Primärwicklung 12 des Transformators 11 neben als Schaltglied dienenden Relais 19 einen mit seinen Anschlußkontakten 42, 43 in Reihe zur Primär-Wicklung 12 geschalteten, steuerbaren elektronischen Schalter 44, welcher mit Ausgang 55 eines Gleichrichters 50 verbunden ist, der über seine Eingänge 51, 52 vom Wechselspannungsnetz 5 über Netzfilter 57 gespeist wird. Relais 19 ist dabei mit Ausgang 56 des Gleichrichters 50 verbunden. Steuereingang 41 des elektronischen Schalters 44 ist mit Stellsignal-Ausgang 34 eines elektronischen Reglers 35 verbunden, dessen Eingänge 32, 33 mit Anschlußkontakten 9, 10 einer Hilfs-Sekundär-Wicklung 45 des Transformators 11 verbunden sind; der steuerbare Schalter 44 erzeugt eine Impulsfolge mit sich änderndem Tastverhältnis, wobei die Impulsfolge-Frequenz im Bereich von 20 bis 40 KHz liegt und das Tastverhältnis von einem Vergleich des an den Eingangsklemmen 32, 33 aufgenommenen Meßsignals mit einem vorgegebenen Wert abhängig ist.

Die Stromversorgung des elektronischen Reglers 35 erfolgt über Eingangsanschlüsse 36, 37, die mit Ausgängen 53, 54 des Gleichrichters 50 verbunden sind. Relais 19 enthält einen eigenen Gleichrichter 62, dessen Ausgänge 65, 66 mit der Erreger-Wicklung 22 verbunden sind, während Eingänge 63, 64 des Gleichrichters 62 über Anschlußkontakte 20, 21 mit Anschlußpunkten 26, 38 zur Versorgung aus dem Wechselspannungsnetz 5 verbunden sind. Dies bedeutet, daß je nach Höhe der anliegenden Spannung entweder genügend Energie für Erregerwicklung 22 und die magnetische Kraftwirkung auf Anker 28 bereitsteht, um den Schaltkontakt 23 mit Festkontakt 24 zu verbinden, oder bei zu geringer Spannung der Schaltkontakt 23 in seiner Ruheposition an Festkontakt 25 verbleibt, so daß ein erhöhtes Übertragungsverhältnis von Primär- zu Sekundär-Wicklung erzielt wird; als Übertragungsverhältnis hat sich für die Position in Festkontakt 24 ein Quotient von 6,5 : 1 bis 7,8 : 1 vorzugsweise von 6,9 : 1, für die Position in Festkontakt 25 ein Quotient von 3,1 : 1 bis 4,5 : 1, vorzugsweise von 3,5 : 1 erwiesen.

Die Schaltungsanordnung arbeitet nach dem Prinzip eines Regelkreises mit Störgrößenaufschaltung, wobei die Wirkungskette des Regelkreises von Regler 35 und Transformator 11 als Regelstrecke gebildet wird, während die Störgrößenaufschaltung über Wechselspannungs-Netz 5, Gleichrichter 62 und Erreger-Wicklung 22 sowie Ansteuerung des Schaltkontakt 23 erfolgt. Zwischen den Anschlußpunkten 26, 38 und den Eingangsanschlüssen 3, 4 der Stromversorgungsschaltung 1, ist das zur Blockierung netzseitiger Störungen eingesetzte Netzfilter 57 vorgesehen, dessen erster Eingang 58 über Sicherung 30 mit Eingang 3 der Stromversorgungsschaltung 1 verbunden und dessen zweiter Eingang 59 mit Eingang 4 der Stromversorgungsschaltung 1 verbunden ist; die Ausgänge 60, 61 des Netzfilters sind mit den Knotenpunkten 26 und 38 verbunden, an die die Eingänge der Gleichrichter 50, 62 angeschlossen sind.

Zur Inbetriebnahme wird Schalter 2 geschlossen, so daß die Verzweigungspunkte 26 und 38 über Netzfilter 57 jeweils mit den Eingangsklemmen 3, 4 und der Wechselspannungs-Versorgung 5 verbunden sind. Netzfilter 57 sorgt für die Unterdrückung hochfrequenter Störsignale. Über die Verzweigungspunkte 26, 38 wird Gleichrichter 50 mittels Anschluß-Klemmen 51, 52 mit Energie versorgt; über dessen Ausgänge 53, 54 wird Regler 35 durch seine Eingänge 36, 37 mit elektrischer Energie versorgt; gleichzeitig wird Erregerwicklung 22 über Gleichrichter 62 und über Eingangsanschlüsse 20, 21 des Relais 19 sowie über Netzfilter 57 mit der Wechselspannungsquelle 5 verbunden, wobei die von dem durch Erregerwicklung 22 fließenden Strom ausgeübte magnetische Kraft auf Relais-Anker 28 und Schaltkontakt 23 einwirkt, so daß diese je nach anliegender Spannung mit Festkontakt 25 oder Festkontakt 24 verbunden wird. Sofern die Schaltung bei einem verhältnismäßig niedrigen Spannungswert von beispielsweise 115 Volt verbleibt, reicht die magnetische Kraft nicht aus, Schaltkontakt 23 aus seiner Ruheposition mit Festkontakt 25 herauszubringen, so daß Ausgang 56 des Gleichrichters 50 über Anschluß 48 und 18 des Relais 19 mit Anschluß 16 der Primärwicklung 12 verbunden wird, wobei der Anschluß 14 dieser Teilwicklung direkt mit der Schaltstrecke 43, 42 des steuerbaren elektronischen Schalters 44 verbunden ist. Gleichzeitig ist die Hilfs-Sekundär-Wicklung 45 über Eingang 32, 33 an den Eingang des elektronischen Regles 35 angeschlossen, wobei die Spannung der Hilfs-Sekundär-Wicklung mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird; bei Regelabweichung wird mittels Stellsignal des Reglers über dessen Ausgang 34 durch Ansteuerung des elektronischen Schalters 44 so lange das Tastverhältnis verändert, bis die Regelabweichung wieder ausgeglichen ist.

Es ist somit sichergestellt, daß je nach anliegender Spannung am Eingang 3, 4 die an Sekundär-Wicklung 13 über Anschluß 6, 7 angeschlossene Lampe 8 stets mit einer Spannung von ca. 24 Volt versorgt wird. Die an den Ausgängen 55, 56 des Gleichrichters 50 anliegende Spannung wird durch die Betätigung des steuerbaren Schalters 44 mittels Regler 35 soweit ausgeglichen, daß bei variierender Eingangsspannung am Eingang 3, 4 stets eine konstante Ausgangsspannung an den Klemmen 6, 7 der Sekundär-Wicklung 13 des Transformators 11 anliegt.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektrische Versorgungs-Schaltung für wenigstens eine Lampe, insbesondere für eine Leuchte für medizinische Anwendungen, die an Wechselspannungsnetzen unterschiedlicher Versorgungsspannungen betrieben werden kann, wobei die Versorgungs-Schaltung wenigstens ein steuerbares Schaltglied aufweist, dadurch gekennzeichnet,

    daß die Lampe (8) an eine Sekundär-Wicklung (13) eines Transformators (11) angeschlossen ist, dessen Primär-Wicklung (12) wenigstens drei Anschlüsse (14, 15, 16) aufweist, von denen ein erster Anschluß (14) an einen ersten Pol eines Stromkreises mit sich zeitlich ändernder Amplitude angeschlossen ist und wenigstens zwei weitere Anschlüsse (15, 16) auf Festkontakte (24, 25) eines Umschalters (23, 24, 25) eines Relais (19) zur Einstellung des Übersetzungsverhältnisses zwischen Primär- und Sekundär-Wicklung geführt sind,

    wobei der Schaltkontakt (23) des Umschalters (23, 24, 25) mit dem zweiten Pol des Stromkreises sich zeitlich ändernder Amplitude verbunden ist und

    die Position des Schaltkontakts (23) von der Versorgungsspannung derart abhängig ist, daß bei Überschreiten einer vorgegebenen Spannung eine Umschaltung erfolgt,

    wobei die Erregerwicklung (22) des Relais (19) über einen Gleichrichter (62) mit dem Wechselspannungsnetz (5) verbunden ist,

    wobei im Stromkreis der Primärwicklung (12) ein elektronischer Schalter (44) vorgesehen ist, dessen Schaltstrecke (42, 43) in Reihe zur Schaltstrecke des Umschalters (23, 24) geschaltet ist,

    wobei der Stromkreis der Primärwicklung (12) über Ausgänge (55, 56) eines Gleichrichters (50) gespeist wird und

    der elektronische Schalter (44) einen Steuereingang (41) aufweist, der mit dem Stellsignal-Ausgang (34) eines elektronischen Reglers (35) verbunden ist, dessen Eingang (32, 33) über Meß-Anschlüsse (9, 10) mit einer zusätzlichen Sekundärwicklung (45) des Transformators (11) verbunden ist.
  2. 2. Versorgungs-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungsverhältnis von Primärwicklung (12) zu Sekundarwicklung (13) zwischen zwei Bereichen U1 und U2 umschaltbar ist, von denen der erste Bereich U1 ein Übersetzungsverhältnis von 3,1 : 1 bis 5,4 : 1 und der zweite Bereich U2 ein Übersetzungsverhältnis von 6,5 : 1 bis 10,5 : 1 aufweist.
  3. 3. Versorgungs-Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Übersetzungsverhältnis U1 bei 4,8 : 1 und das zweite Übersetzungsverhältnis U2 bei 9,6 : 1 liegt.
  4. 4. Versorgungs-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Stromkreis der Primärwicklung (12) des Transformators (11) ein Einschaltstrombegrenzungsglied vorgesehen ist.
  5. 5. Versorgungs-Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Einschaltstrombegrenzungsglied ein NTC-Widerstand eingesetzt ist.






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