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 13.2.1 A 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 1N 4148 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 13.2.1 A Direktbetrieb von LEDs an 230 Volt Netzspannung

Wollte man 20-mA-LEDs mit ohmschen 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 13.1.1 B 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 13.1.2 B 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 6.2 G in Kapitel 6, kann man mit einer Einzelzelle auch eine LED betreiben, wie in Bild 13.2.1 B zu sehen ist.

Bild 13.2.1 B 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 R 2 in Kauf nehmen. Die Regelung setzt ein, sobald die Spannung an R 2 0,6 Volt übersteigt, weil dann die Differenz zur Betriebsspannung auch gerade 0,6 Volt unterschreitet und T 2 zu sperren beginnt. Wenn T 2 sperrt, bekommt T 1 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.

1. 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.

2. 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

3. „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.

4. 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 11.2. B beschriebenen Sinuswandler nahezu unverändert für den CCFL-Inverter in Bild 13.2.2 A 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 13.2.2 A 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 Belastungen des Trafos.
Für höhere Anforderungen an den Inverter muss die Schaltung etwas aufwendiger gestaltet werden. In Bild 13.2.2 B 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 13.2.2 B 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 11.2 E 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 LM 393 befinden. Der nicht invertierende Eingang wird von T 3 angesteuert, der mit C 4 und R 9 einen Integrator bildet. Nach dem Einschalten ist C 4 zunächst ungeladen, sodass am Eingang des Komparators eine sehr niedrige Spannung anliegt. Da an R 13 keine Spannung anliegt, steigt die Spannung am Kollektor langsam an, bis schließlich der Komparator T 4 durchschaltet. Der Sinuswandler beginnt nun zu schwingen, und es kann ein Strom durch die Lampe fließen. An den Emittern von T 1 und T 2 liegt eine nach unten umgeklappte Sinusspannung mit doppelter Schwingfrequenz an. Diese wird über R 11 auf den invertierenden Eingang des Komparators eingekoppelt und ermöglicht so eine zur Sinusschwingung synchrone PWM-Modulation. Mit zunehmender Kollektorspannung von T 3 erhöht sich die Einschaltdauer von T 4, bis dieser schließlich voll durchschaltet. Der Lampenstrom wird von D 3 und D 4 gleichgerichtet und mit C 5 gesiebt. Da nur eine Halbwelle des Lampenstromes ausgewertet wird, fließt durch R 14 nur der halbe Lampenstrom. Ist dieser so hoch, dass an R 14 etwa 5 Volt abfallen, setzt die Regelung ein. ZD wird leitend und sobald an R 13 etwa 0,7 Volt abfallen, kann sich C 4 wieder entladen. Die Kollektorspannung von T 3 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 R 8 abfließen. Entsprechend der Dimmspannung erhöht sich dann der Lampenstrom. R 14 bestimmt dabei den minimalen und R 8 den maximalen Strom. Eine Logikspannung von 5 Volt auf dem Disable-Eingang „dis“ schaltet über D 1 den Integrator in die Begrenzung, sodass die Kollektorspannung von T 3 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 T 3 weit über den Regelbereich hinaus ansteigen. Bei ¾ der Betriebsspannung wird T 4 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 8.3 E 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. L 2 und C 5 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 C 5, die zur Zündung der Röhre führt. Ist die Röhre einmal gezündet, bricht die Spannung an C 5 zusammen und auch der Strom wird niedriger. Der Lampenstrom wird dann vorwiegend durch den Blindwiderstand der Drossel L 2 bestimmt. Die Heizwendeln können so nach der Zündung wieder abkühlen.

Bild 13.2.2 C Elektronisches Vorschaltgerät für Energiesparlampen

Um die Abmessungen der Schaltung klein zu halten, werden auch Entstörmaßnahmen auf ein Minimum reduziert. Hier bestehen sie aus L 1 und dem zusätzlichen Kondensator C 2. Bei Billigprodukten fehlt manchmal selbst das. Natürlich muss so eine Schaltung auch eine Sicherung haben. Diese Funktion kann R 1 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 R 1 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 13.2.2 D zu sehen. Der Wandler basiert auf dem in Bild 11.2 C beschriebenen Sinuswandler mit bipolaren Schalttransistoren. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades wurden sehr schnelle Transistoren vom Typ BUH 515 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 13.2.2 D Elektronisches HQL Vorschaltgerät für 250-Watt-Lampe

Die Netzspannung wird zunächst mit einem konventionellen Netzgleichrichter gleichgerichtet und an C 2 steht dann eine Gleichspannung von 300-320 Volt zur Verfügung. Wegen der niedrigen Windungszahlen wird in W 2 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 T 1 und T 2 eingefügt. Die Emitterdioden erlauben eine negative Basisspannung von über 20 Volt, ohne dass die Schaltgeschwindigkeit dadurch beeinträchtigt wird. Wegen der hohen Steuerspannung muss auch R 2 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 W 1 und W 2 werden auf den einen und W 3 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 W 3 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 13.2.2 E 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 IR 2153 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. C 7 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 13.2.2 E Elektronisches HQL Vorschaltgerät mit IR 2153

Zur Versorgung des IR 2153 wird dieser zunächst mit dem Anlaufwiderstand R 2 versorgt. Sobald der IC-interne Unterspannungsdetektor eine genügend hohe Betriebsspannung erkennt, schaltet sich der Generator ein. Zur weiteren Versorgung des ICs wird über C 4 die Ausgangsspannung der Halbbrücke abgegriffen, der Blindstrom mit D 2 und D 3 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 C 4 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 C 4 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 6.1 L 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 13.2.2 F zu sehen. Der Wandler basiert auf einem ungeregelten Gegentakt-Flusswandler mit Halbbrücken-Endstufe, wie ich ihn in Bild 8.3 F beschrieben habe.

Bild 13.2.3 A 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 T 3 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 13.2.2 G 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 13.2.3 B 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 (R 9) 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 R 2 und das Poti P und verursacht dort einen Spannungsabfall. Ist dieser Spannungsabfall größer als 2,5 Volt, schaltet der Shunt-Regler durch und sperrt T 3, 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 13.1.2 B 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 P 2 wird die niedrigste Schwingfrequenz auf ca. 30 kHz eingestellt. Das ist die Resonanzfrequenz des aus Lr und C 5 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 R 9 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 R 9 entsprechend vergrößert

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