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Patent Searching and Data


Title:
LAMP POWER SUPPLY UNIT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/095891
Kind Code:
A2
Abstract:
Film capacitors are used predominantly for line filters, but also for low-loss capacitive power supply units, for example in retrofit LED lamps. Attempts to integrate capacitive power supply units into the screw cap, in order to ensure all-round emission characteristics and to minimise heat losses, regularly fail for higher 4 to 8 Watt lamp wattages owing to lack of space, and for this reason the lamp current is limited by linear semiconductor circuits instead of practically loss-free capacitors. Said circuits however generate heat losses, which not only reduce the energy efficiency of the lamp but also cause accelerated degradation of the buffer electrolyte capacitor in close proximity, leading to a premature breakdown of the lamp. To solve this problem, the invention proposes a hollow film capacitor which can be placed over the centrally-located buffer electrolyte capacitor, ensuring improved utilisation of the base cavity, and which provides a loss- and heat-free limitation of alternating current, in addition to better dissipation of potential heat emissions from the buffer electrolyte capacitor to the sheet metal screw base than in the almost empty, sealed base cavity.

Inventors:
DIESING HANS-WOLFGANG (DE)
Application Number:
DE2015/000594
Publication Date:
June 23, 2016
Filing Date:
December 14, 2015
Export Citation:
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Assignee:
DIESING HANS-WOLFGANG (DE)
Foreign References:
DE202012010468U12013-02-05
DE202009010840U12009-10-22
DE10163262B42006-07-06
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Claims:
Lampennetzteil Ansprüche

Anspruch 1 :

Kapazitves Netzteil zur möglichst kompakten Integration in einem

Lampenschraubsockel, dadurch gekennzeichnet, dass ein runder, verlustlos wechselstrombegrenzender Eingangs-Folienkondensator in hohler Bauform den Puffer-Elektrolytkondensator in seinem axialen Loch aufnimmt und so das begrenzte Raumangebot im Sockel auch für höhere Wattagen optimal ausnutzt.

Anspruch 2:

Kapazitives Netzteil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,

dass das Netzteil zusätzlich zu dem runden verlustlos wechselstrombegrenzenden Eingangs-Folienkondensator in hohler Bauform, der den Puffer-Elektrolytkondensator in seinem axialen Loch aufnimmt, einen gleichstrombegrenzenden Linearregler-IC aufweist, der dem Gleichrichter nachgeschaltet ist.

Description:
Lampennetzteil Beschreibung

Stand der Technik:

Retrofit-LED-Lampen sollen ineffiziente Glühbirnen bis spätestens Ende 2016 in der Europäischen Union ersetzen. Erste Retrofit-LED-Lampen waren mit kapazitiven Netzteilen ausgestattet, in denen außer durch einen marginalen Spannungsabfall an den Dioden des Brückengleichrichters praktisch keine Energie durch die Begrenzung des LED-Ketten-Stroms verloren ging. Später wurden diese maiskolbenähnlichen, zwar überlegen effizienten aber doch recht unförmigen Retrofit-LED-Lampen durch LED- Spot-Strahler mit aufgesetzter Lichtstreukappe und massiven Kühlmanschetten ersetzt, um die Wärme aus den lampenintegrierten und weniger effizienten Schaltnetzteilen an die Umgebung abzuführen, was im Sinne der Energieeffizienz aber kontraproduktiv ist und überdies für eine weitgehend omnidirektionale Abstrahlcharakteristik keinen Raum lässt. Neuerdings gibt es so genannte LED-Filament-Retrofitlampen, die wie Glühbirnen in Glaskolben verkapselt sind, dadurch ebenso rundum ihr Licht abstrahlen können und mit einem verlustarmen Netzteil ausgestattet sind, das in den Blechschraubsockel der Glasbirne passt. Das Netzteil besteht wesentlich aus einer Leiterplattenscheibe im Kragen des Blechschraubsockels mit einem integrierten Brückengleichrichter, einem linearen Strombegrenzungs-Halbleiterschaltkreis und einem Hochvolt-Puffer- Elektrolytkondensator zur Minimierung der 10OHz-Lichtwelligkeit und zur Absorption eventueller für die LEDs schädlichen Einschaltspannungs- und Sromimpusle. Dieser kann aus höherwertigen keramischen Chipkondensatoren für kleinere Lampenwattagen oder aus einem kostengünstigeren Hochvolt-Elektrolytkondensator für höhere

Lampenwattagen bestehen, der allerdings tiefer in den Hohlraum des Schraubsockels hineinragt mit typischen Bauhöhen von 10 bis 15mm und typischen Durchmessern von 8 bis 10 mm, während etwa der E27-Schraubsockel in seinem Inneren Platz bietet für einen Zylinder mit gut 22mm Durchmesser und je nach Ausführung bis zu 20mm Höhe.

Der aktive lineare Strombegrenzungs-Halbleiterschaltkreis wird zwar nur mit einer Restspannung beaufschlagt, die von den ca. 60 in Serie geschalteten Filament-LEDs übrig gelassen wird, an denen ca. 300 Volt abfallen, aber diese Restspannung von ca. 25 Volt bis zur Maximalamplitude von 325V bei 230Vac bleibt als Stromregelspannung übrig. Auch bei einer Begrenzung auf ca. 40 bis 60mA wird hierbei bis zu einem Watt

Verlustleistung verheizt, weswegen um die 20 Prozent der eingespeisten Leistung für die Lichtausbeute der Lampe als Abwärme verloren gehen. Das wäre nicht der Fall, wenn man stattdessen einen Hochvolt-Folienkondensator als praktisch verlustlosen Wechselstombegrenzer eingangsseitig vor den Brückengleichrichter schalten würde und diesen mit in den Schraubsockel integrieren könnte. Das wäre allerdings aus Platzgründen nur möglich, wenn dieser Folienkondensator hohl wäre und über den zylindrischen Elektrolytkondensator gestülpt werden könnte. Derartige Hohlwicklungen gibt es bereits für so genannte GTO-Folienkondensatoren (WIMA) in vergossener Form mit mittig versenkten Gewindehülsen an den beiden Stirnflächen für Hochstromimpuls- Schraubanschlüsse etwa in Umrichteranwendungen. Optimalerweise hätte ein solcher hohler Folienkondensator einen Außendurchmesser von gut 20mm, Innendurchmesser von knapp 10mm und eine Zylinderhöhe von ca. 15mm mit einer Kapazität von bis zu etwa 1 iF je nach Lampenwattage bei einer Wechselpannungsfestigkeit von mindestens 250Vrms, was durchaus in einem wickeltechnisch realisierbaren Bereich liegen sollte.

Der aktuelle Stand der Schaltungstechnik und die Form des hohlen Folienkondensators werden anhand der beiden Zeichnungen beschrieben:

Fig. 1 zeigt die Netzteilschaltung einer aktuellen LED-Filament-Retrofitlampe unter Verwendung eines linear einstellbaren Strombegrenzungs-Halbleiterschaltkreises mit optionalem Hochvolt-Eingangskondensator C1 , der jedoch entfallen kann, wenn der Schaltkreis durch den über den Widerstand Rext eingestellten Strom nicht überlastet wird. Dieser Eingangs-Folienkondensator entfällt meist aus Platzgründen, womit die Strombegrenzung vollständig dem Schaltkreis überlassen bleibt, der aber seinerseits aus seiner Verlustleistung Wärme abgibt, wodurch die Degradation des benachbarten Hochvolt-Puffer-Elektrolytkondensators C2 beschleunigt wird, was zu einem vorzeitigen Ausfall der Lampe führt, obwohl die LED-Filaments durchaus noch intakt sein können. Elektrolytkondensatoren degradieren schneller in aufgeheizter Umgebung und fallen deshalb entsprechend verfrüht aus, während LEDs meistens länger funktionsfähig sind. Hierin ist C1 der praktisch verlustlos wechselstrombegrenzende Eingangskondensator, der den linear gleichstrombegrenzenden Halbleiterschaltkreis wie etwa den SM2082B entlasten kann, der bei ausreichender optimaler Dimensionierung des Kapazitätswertes von C1 allerdings auch vollkommen entfallen kann mitsamt dem Siebkondensator C3 und dem Stromeinstellwiderstand Rext. C2 ist der Pufferkondensator, der die an der LED-Kette abfallende Spannung glättet, damit deren 10ΟΉζ-Flimmern minimiert, sowie eventuelle für die LEDs schädliche Spannungs- und Stromspitzen im Einschaltmoment absorbiert und deshalb in jedem Fall parallel zur LED-Kette verbleiben sollte.

Fig. 2 zeigt die Form des hohlen Folienkondensators mit den ringförmigen stirnseitigen Anschlussflächen oben und unterhalb sowie dem walzenförmigen hohlen Wickelkörper, dessen axiales Rohrloch den zylindrischen Hochvolt-Puffer-Elektrolytkondensator mittig aufnehmen kann und somit das begrenzte Platzangebot etwa in einem E27-Standard- Lampenschraubsockel möglichst weitgehend ausnutzt. Die Anschlussfläche zum Mittenkontakt des Schraubsockels kann beispielsweise durch eine konisch zentrierte metallische Spiralfeder erfolgen und der gegenüberliegende Stirnanschluss zur

Leiterplattenscheibe, die den Blechschraubsockel an dessen Kragen abschließt, herkömmlich als Löt-, Kontaktschweiß- oder Leitkleber-Verbindung über einen Draht erfolgen neben den Drahtanschlüssen des im hohlen Folienkondensator versenkten Hochvolt-Elektrolytkondensators. Der so gefüllte Blechschraubsockel kann überdies mit einer möglichst wärmeleitfähigen, elektrisch isolierenden Vergussmasse gefüllt werden, die den hohlen Folienkondensator als Wärmebrücke für die vom Elektrolytkondensator durch die Ripplestrompufferung ausgehende Wärme zum Blechschraubsockel und zu dessen Leuchtenschraubfassung besser abführen kann und damit die Lebensdauer des Elektrolytkondensators verlängert, der sonst meist noch vor den Leuchtdioden ausfällt. Die Umstellung des Kondensator-Herstellungsprozesses von der Vollwicklung auf eine Hohlwicklung bedingt einen minimal erhöhten Fertigungsaufwand. Folienkondensatoren werden üblicherweise durch seitlich versetzte gegenüberliegende Metallisierungen der dielektrischen Isolationsfolie so gewickelt, dass die beiden Anschlüsse jeweils an der Stirnseite axial oder radial mit Drähten über eine so genannte Schoopierung - durch Besprühen der Stirnseiten mittels Lotspray - entweder per Löten oder per Anschweißen der Anschlussdrähte kontaktiert werden können. Zu Ausführungsformen und zum Herstellungsprozess findet sich auf der Wikipedia-Website unter dem Suchwort

Kunststoff-Folienkondensator ein ausführlicher und gut verständlich illustrierter Artikel. Als zusätzliche Erläuterung zu Fig. 1 , die den aktuellen Stand der Schaltungstechnik sogenannter treiberloser Netzteile für LED-Filament-Retrofitlampen darstellt, kann C1 zwar aus Platzgründen entfallen und die volle Regelungslast dem DC-begrenzenden Linearregler-IC überlassen werden, dieser kann allerdings auch durch Vorschaltung eines entsprechend dimensionierten Hochvolt-AC-Eingangskondensators C1 entlastet werden, wodurch sich die linear zu regelnde Gleichstromspanne deutlich reduziert und gleichermaßen dessen Erwärmung zugunsten einer längeren Lebenserwartung des Hochvolt-Pufferkondensators C2, der damit auch bezüglich der Spannungsfestigkeit und mithin der Baugröße sowie des Ripplestroms entlastet wird. Die Verwendung des ICs in einer derartig kombinierten Schaltung aus kapazitivem und linear geregeltem Netzteil begünstigt unter anderem auch den Power-Faktor (PF), um gegebenenfalls entsprechende Zulassungsvorgaben zu erfüllen. Selbstverständlich kann auch in einer derartigen Kombinationsschaltung der hohle Folienkondensator vorteilhaft eingesetzt werden, zumal der lineare DC-Regler-IC auf der Leiterplatte, die den Schraubsockel an dessen Kragenöffnung abschließt, in Oberflächenmontage neben dem integrierten Brückengleichrichter und weiteren SMD-Komponenten Platz finden, ohne den Bauraum des hohlen Hochvolt-Folienkondesators mit dem DC-Hochvolt-Elektrolytkondensator C2 im axialen Loch einzuschränken. Auch bei einem Lochdurchmesser von mehr als 10mm, in das so auch höher-kapazitive Hochvolt-Elektrolytkondensatoren C2 etwa von circa 10pF hineinpassen, bleibt bis knapp 22mm Durchmesser genug Bauraumreserve im E27-Sockel, um auch C1 -Kapazitäten deutlich oberhalb von 1pF mit entsprechender Spannungsfestigkeit unterzubringen und damit auch höhere Wattagen von LED- Retrofitlampen abzudecken, die so über den vergleichbar hellen Ersatz der 60-Watt- Glühlampe hinausreichen und eine erheblich längere Lebensdauer bei reduziertem Flimmeranteil ermöglichen. C1 muss hierbei aber größer sein als ohne Linearregler-IC. Keramische Multilayer-Kondensatoren (MLCC) könnten zwar aufgrund ihrer wesentlich kompakteren Größe in einer solchen Schaltung den hohlen Hochvolt-Folienkondensator prinzipiell ebenfalls ersetzen, sind aber aufwendiger herzustellen und damit wesentlich teurer, was einer Verwendung in einem Produkt für den Massenmarkt entgegensteht. Wesentlicher Nachteil eines kapazitiven oder linear geregelten Lampennetzteils bzw. auch einer Kombination ist die fehlende Dimmbarkeit mittels herkömmlich installierten Phasenschnittdimmern, für die besonders bei höheren Wattagen zunehmend Bedarf besteht und bereits mit Schaltnetzteilen bis zu 8 Watt in LED-Filament-Retrofitlampen realisiert wurde - allerdings nicht ohne einen zusätzlichen Kunststoffkragen, der den Schraubsockel verlängert und die Rundumabstrahlung einschränkt sowie die Effizienz erheblich mindert und zwar verstärkt proportional zur Dimmung. Demgegenüber wird durch eine kapazitive Dimmung von kapazitiven, linear geregelten oder kombinierten Lampennetzteilen die Effizienz proportional zur Dimmung sogar begünstigt: 36 bis 91 Prozent Energieeinsparung wurden gegenüber der dimmbaren Schaltnetzteil-Lösung über den typischerweise eingeschränkten vergleichbaren Dimmbereich ermittelt.

Kapazitive Dimmer, die aus einer Stufenschaltung von AC-Hochvoltkondensatoren bestehen und gegen herkömmlich installierte Phasendimmer oder Lichtschalter im gleichen Formfaktor austauschbar sind, wurden in den deutschen Gebrauchsmustern DE202012010468U1 und DE202009010840U1 sowie im deutschen Verfahrenspatent DE10163262B4 beschrieben und bereits in Serie hergestellt. Mit der zunehmenden Akzeptanz der LED-Filament-Retrofitlampen im Verbrauchermarkt könnten derartige kapazitive Dimmkonzepte als besonders nachhaltige Lösung an Bedeutung gewinnen.