DE10050112A1

DE10050112A1 - Circuit for increasing electronic processor power factor and reducing noise factor for electronic ballast of discharge lamp, has diode closing path from load circuit to supporting capacitor if current flows from capacitor to load circuit

Info

Publication number: DE10050112A1
Application number: DE10050112A
Authority: DE
Inventors: Guenter Schreyer
Original assignee: Trilux Lenze GmbH and Co KG
Current assignee: Trilux GmbH and Co KG
Priority date: 2000-10-09
Filing date: 2000-10-09
Publication date: 2002-04-18

Abstract

The circuit has a direct voltage source (Br1) connected to a converter (S1,S2) for connection to a load circuit containing a lamp choke in series with a low pressure discharge lamp. A network of passive components is arranged between the direct voltage source and the converter. A capacitor (C1) supporting the positive output of the source, a storage inductance (L1) and a first diode (D2) are connected in series with the an output of the converter. A second diode (D1) closes the current path from the load circuit to the supporting capacitor if a current is flowing from the supporting capacitor into the load circuit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer Gleichspannungsquelle, die mit einem Wechselrichter verbunden ist, wobei zwischen Gleichspannungsquelle und Wechselrichter ein Netzwerk passiver Bauelemente zur Erhöhung des Leistungs faktors und zur Reduzierung des Klirrfaktors angeordnet ist.The invention relates to a circuit arrangement with a DC voltage source connected to an inverter is, between the DC voltage source and the inverter a network of passive components to increase performance factor and arranged to reduce the harmonic distortion.

Derartige Schaltungsanordnungen werden heute in großer Anzahl in der Elektronik verwendet. Dabei wird durch die Steigerung der Betriebsfrequenz ein verbesserter Wirkungsgrad mit einher gehender Reduzierung der erforderlichen Bauvolumen großer kapazitiver und induktiver Komponenten erreicht. Bei der An steuerung einer Niederdruck-Entladungslampe über ein entspre chend ausgebildetes EVG (elektronisches Vorschaltgerät) tritt ferner der Vorteil auf, dass sich bei dem Betrieb der Lampe mit sehr hohen Frequenzen von einigen 10 KHz eine Verringerung der aufgenommenen elektrischen Leistung ergibt, da die Elek tronendichte im Plasma nicht mehr dem Zeitverlauf des Stroms folgen kann.Such circuit arrangements are used in large numbers today used in electronics. Thereby, by increasing the operating frequency is accompanied by an improved efficiency ongoing reduction of the required construction volume large capacitive and inductive components. At the An control of a low-pressure discharge lamp via a corresponding accordingly trained electronic ballast (electronic ballast) occurs furthermore the advantage that during the operation of the lamp a reduction with very high frequencies of some 10 KHz of the electrical power consumed, since the elec Tron density in the plasma no longer corresponds to the time course of the current can follow.

Beim Betrieb der Schaltungen ist jedoch ein geringer Blind anteil an der aufgenommenen Netzleistung anzustreben, der durch die Phasenverschiebung zwischen Netzspannung und entnom menem Netzstrom bestimmt wird. Im Allgemeinen wird die Gleich spannungsquelle durch einen Gleichrichter bereitgestellt, der eine vorgegebene Wechselspannung in eine Gleichspannung umwan delt. Dem Gleichrichter ist gewöhnlich ein Speicherkondensator nachgeschaltet, dessen Gleichspannung in Abhängigkeit von der Last variiert. Je nach spezieller Ausgestaltung des Gleich richters, des Speicherkondensators und der an den Wechsel richter angeschlossenen Last fließt im Allgemeinen ein puls förmiger Netzstrom, da ein Ladestrom in den Speicherkondensa tor nur fließen kann, wenn die gleichgerichtete Netzspannung höher als die Speicherkondensatorspannung ist. Der pulsförmige Ladestrom besitzt einen hohen Oberwellenanteil, der zu einem entsprechend hohen Klirrfaktor führt. Diese Oberschwingungen führen ausschließlich zu Blindleistung und reduzieren den Leistungsfaktor. Deshalb ist die beschriebene Schaltungsanord nung und insbesondere das Netzwerk passiver Bauelemente so auszubilden, dass eine möglichst geringe Verzerrung des Netz stroms und ein hoher Netzleistungsfaktor erreicht wird.However, there is little blind in the operation of the circuits to strive for share of the network power consumed, the due to the phase shift between the mains voltage and the extraction point menem current is determined. Generally the same voltage source provided by a rectifier, the convert a predetermined AC voltage into a DC voltage delt. The rectifier is usually a storage capacitor downstream, its DC voltage depending on the Load varies. Depending on the specific design of the same richters, the storage capacitor and the switch load connected to the load generally flows a pulse shaped mains current, since a charging current in the storage condensa gate can only flow if the rectified mains voltage is higher than the storage capacitor voltage. The pulse-shaped Charging current has a high harmonic content, which leads to a leads to a correspondingly high distortion factor. These harmonics only lead to reactive power and reduce the Power factor. Therefore, the circuit arrangement described and especially the network of passive components train that the least possible distortion of the network currents and a high network power factor is achieved.

In der US 5,049,788 wird eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von Niederdruckentladungslampen offenbart, bei welcher einem Brückengleichrichter nachgeschaltet zwei parallel zum Wechsel richtereingang geschaltete Kondensatoren und drei Gleichrich terdioden so verbunden sind, dass die Kondensatoren während des Ladevorgangs in Serie und während des Entladevorgangs parallel zueinander geschaltet sind.In US 5,049,788 a circuit arrangement for operation of low pressure discharge lamps, in which one Bridge rectifier connected two parallel to the change capacitors and three rectifiers ter diodes are connected so that the capacitors during of the charging process in series and during the unloading process are connected in parallel.

In der DE 94 10 910 U1 ist eine verbesserte Ausführungsform der in dem vorbenannten amerikanischen Patent beschriebenen Vorrichtung offenbart, bei welcher ein ohmscher Widerstand den Ladestromstoß vermindert, indem er die Amplitude des Lade stroms reduziert und im Gegenzug den Ladevorgang verlängert. Ferner wird dem Widerstand ein Kondensator parallel geschal tet, um den Widerstand für den in die Kondensatoren zurück fliegenden hochfrequenten Freilaufstrom zu überbrücken. Da die Glättungseinheit insgesamt sieben passive Bauelemente umfasst, wird die Verminderung des Klirrfaktors und die Erhö hung des Leistungsfaktors somit unter Aufwendung einer großen Anzahl von passiven Bauelementen erreicht.DE 94 10 910 U1 is an improved embodiment that described in the aforementioned American patent Device disclosed in which an ohmic resistance Charge current surge is reduced by changing the amplitude of the charge current is reduced and in return the charging process is extended. A capacitor is also connected in parallel to the resistor tet to the resistance for the back in the capacitors to bridge flying high-frequency freewheeling current. There the smoothing unit has a total of seven passive components includes the reduction in the distortion factor and the increases hung the power factor thus using a large Number of passive components reached.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanord nung mit einer Gleichspannungsquelle, die mit einem Wechsel richter verbunden ist, bereitzustellen, die unter Nutzung einer geringeren Anzahl von zusätzlichen passiven Bauelementen einen kleinen Klirrfaktor und einen möglichst hohen Leistungs faktor besitzt, insbesondere für am Wechselrichter angeschlos sene Verbraucher mit geringer Leistung.The object of the invention is a circuit arrangement voltage with a DC voltage source, with an alternation judge is connected to provide the use a lower number of additional passive components a small distortion factor and the highest possible performance factor, especially for connected to the inverter sen consumers with low performance.

Diese Aufgabe wird schon durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This task is already covered by a circuit arrangement solved the features of claim 1.

Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist im Unteran spruch angegeben.An advantageous embodiment of the invention is in the Unteran saying given.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst eine Gleich spannungsquelle, die mit einem Wechselrichter in Brückenschal tungsausführung verbunden ist, wobei ein den positiven Ausgang der Gleichspannungsquelle stützender Kondensators, eine Induk tivität und eine erste Diode in Reihe auf einen Ausgang des Wechselrichters geschaltet sind, und eine zweite Diode den Strompfad vom Lastkreis zum Stützkondensator schließt, wenn Strom aus dem Stützkondensator entnommen wird. Eine Erniedri gung des Klirrfaktors und damit eine Erhöhung des Leistungs faktors wird insbesondere dadurch erreicht, dass Energie so wohl in einen Stützkondensator als auch in einer Spule zwi schengespeichert wird. Die im Stützkondensator gespeicherte Energie wird dabei im Bereich der Nulldurchgänge der gleichge richteten Netzspannung wieder abgerufen. Die Schaltung nutzt vorteilhafterweise auch Schaltzustände des Wechselrichters aus, um einerseits elektrische Energie dem Stützkondensator bzw. der Induktivität zuzuführen und andererseits den Stütz kondensator mit der in der Induktivität gespeicherten Energie aufzuladen. Hierzu werden je nach Schalterstellung und dem Verhältnis der gleichgerichteten Spannung am Gleichrichter zur Spannung am Stützkondensator die Schalter des Wechselrichters in die Strompfade für das passive Netzwerk mit eingebunden. Vorteilhafterweise kann der Gleichspannungsquelle zum Glätten der Gleichspannung ein Speicherkondensator nachgeschaltet sein. The circuit arrangement according to the invention includes an equal voltage source with an inverter in bridge scarf is connected to the positive output the capacitor supporting the DC voltage source, an inductor activity and a first diode in series on an output of the Inverter are connected, and a second diode Current path from the load circuit to the backup capacitor closes when Current is taken from the backup capacitor. A lowering distortion factor and thus an increase in performance factor is achieved in particular by the fact that energy is so probably in a backup capacitor as well as in a coil between is saved. The one stored in the backup capacitor Energy is the same in the area of zero crossings directed mains voltage again. The circuit uses advantageously also switching states of the inverter on the one hand to electrical energy the backup capacitor or to supply the inductance and on the other hand the support capacitor with the energy stored in the inductor charge. Depending on the switch position and the Ratio of rectified voltage at the rectifier to Voltage on the backup capacitor the switches of the inverter integrated into the current paths for the passive network. The DC voltage source can advantageously be used for smoothing a storage capacitor connected downstream of the DC voltage his.

Die Erfindung eignet sich hervorragend für den Betrieb eines Wechselrichters in Brückenschaltungsausführung, an den aus gangsseitig wenigstens ein Lastkreis angeschlossen ist, der eine Leuchtstofflampe, insbesondere eine Leuchtstofflampe geringer Leistung, umfasst. Dabei kann vorteilhafterweise die Funktion des Oberschwingungsfilters mit der ohnehin notwendi gen Entladungslampenschaltung verbunden werden, was sowohl kleinere als auch preiswertere Geräte ermöglicht.The invention is ideal for the operation of a Inverters in bridge circuit design, from the on the output side at least one load circuit is connected a fluorescent lamp, in particular a fluorescent lamp low power. In this case, the Function of the harmonic filter with the anyway necessary gene discharge lamp circuit can be connected, both allows smaller as well as cheaper devices.

Durch die entsprechende Dimensionierung der Kapazität des Stützkondensators, der Größe der Ladeinduktivität in Abhängig keit der Leistungsaufnahme der vorbestimmten Niederdruck-Ent ladungslampe und der Schaltfrequenz der Brückenschaltung ist die minimale Eingangsspannung der Halbbrücke für den verwende ten Lampentyp einstellbar.By dimensioning the capacity of the Support capacitor, depending on the size of the charging inductance speed of power consumption of the predetermined low pressure Ent charge lamp and the switching frequency of the bridge circuit is the minimum input voltage of the half bridge for the use th lamp type adjustable.

Gegenüber den genannten passiven Schaltungen zur Reduzierung des Klirrfaktors und zur Erhöhung des Leistungsfaktors weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ferner den Vorteil auf, dass keine besonderen Vorkehrungen zur Beschränkung des Einschaltstroms notwendig sind.Compared to the passive circuits mentioned for reduction of the distortion factor and to increase the power factor the circuit arrangement according to the invention also has the advantage on the fact that no special precautions to limit the Inrush current are necessary.

Die Erfindung wird im Folgenden durch das Erläutern einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, wobeiThe invention is explained in the following by a Embodiment with reference to the accompanying drawings described, wherein

Fig. 1 eine schematische Skizze der erfindungsgemäßen Schal tungsanordnung zeigt. Fig. 1 shows a schematic sketch of the scarf arrangement according to the invention.

In Fig. 1 ist das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Schal tungsanordnung veranschaulicht. An den Gleichspannungs anschlüssen V+, V- eines Brückengleichrichters Br1 ist ein Wechselrichter in Form einer selbstgesteuerten Halbbrücken schaltung angeschlossen, von welcher zur Klarheit der Dar stellung nur die beiden Schalter S1 und S2 gezeigt sind. Aus gangsseitig ist an den Wechselrichter eine Reihenschaltung eines Halbierungskondensators C2, einer Lampendrossel L2 und einer Niederdruck-Entladungslampe LL1 auf den Minus-Pol des Gleichrichters geschaltet. Die Funktionsweise und die Arbeits weise der Halbbrückenschaltung bzw. der im Lastkreis befindli chen Reihenschaltung mit der Entladungslampe LL1 ist dem Fach mann wohlbekannt, weshalb im Folgenden darauf nicht näher eingegangen werden muss.In Fig. 1, the basic principle of the circuit arrangement according to the invention is illustrated. At the DC voltage connections V +, V- of a bridge rectifier Br1, an inverter in the form of a self-controlled half-bridge circuit is connected, of which only the two switches S1 and S2 are shown for the sake of clarity. From the output side, a series connection of a halving capacitor C2, a lamp inductor L2 and a low-pressure discharge lamp LL1 is connected to the negative pole of the rectifier on the inverter. The mode of operation and the way of working of the half-bridge circuit or the series circuit in the load circuit with the discharge lamp LL1 is well known to the person skilled in the art, which is why it need not be discussed in more detail below.

Zur Reduzierung des Klirrfaktors und zur Erhöhung des Lei stungsfaktors weist die erfindungsgemäße Schaltung ein Netz werk passiver Bauelemente auf. Ausgehend vom hohen Spannungs potential V+ der Gleichrichterbrücke Br1 ist ein Elektrolyt kondensator als Stützkondensator C1 geschaltet, dessen Kathode an die Kathode einer Diode D1 angeschlossen ist, welche mit ihrer Anode mit dem negativen Pol V- des Gleichrichters ver bunden ist. An der Kathode des Stützkondensators C1 schließt sich ferner eine Reihenschaltung einer Spule L1 und einer Diode D2 an, die auf den Ausgang der Halbbrücke S1/S2 aufge schaltet ist.To reduce the distortion factor and to increase the lei the circuit has a network passive components. Starting from the high tension potential V + of the rectifier bridge Br1 is an electrolyte capacitor connected as a backup capacitor C1, its cathode is connected to the cathode of a diode D1, which with ver their anode with the negative pole V- of the rectifier is bound. Closes at the cathode of the support capacitor C1 there is also a series connection of a coil L1 and a Diode D2 on, which is applied to the output of the half bridge S1 / S2 is switched.

Die allgemeine Funktionsweise der auch als elektronisches Vorschaltgerät (EVG) zu bezeichnenden, in Fig. 1 dargestellten Schaltung wird im Folgenden erläutert. Die am Wechselspan nungseingang X1, X2 anliegende Wechselspannung wird durch den Brückengleichrichter Brl in bekannter Weise gleichgerichtet, wobei der Speicherkondensator C3 die gleichgerichtete Spannung glättet. Die Lampe LL1 wird mit einer kontinuierlichen Hoch frequenzspannung angesteuert, die in der Halbbrückenschaltung S1/S2 erzeugt wird. Die zum Betrieb der Lampe notwendigen Ladungen stammen je nach Stellung der Schalter S1 bzw. S2 direkt aus dem Brückengleichrichter Br1, dem Speicherkondensa tor C3 bzw. dem Stützkondensator C1 oder aus dem Halbierungs kondensator C2.The general mode of operation of the circuit shown in FIG. 1, which is also referred to as an electronic ballast (EVG), is explained below. The AC voltage present at the AC voltage input X1, X2 is rectified in a known manner by the bridge rectifier Brl, the storage capacitor C3 smoothing the rectified voltage. The lamp LL1 is driven with a continuous high-frequency voltage, which is generated in the half-bridge circuit S1 / S2. Depending on the position of the switches S1 or S2, the charges necessary for operating the lamp originate directly from the bridge rectifier Br1, the storage capacitor C3 or the backup capacitor C1 or from the halving capacitor C2.

Ist der Schalter S2 geschlossen, wird die Serienschaltung der Spulendrossel L2 und der Lampe LL1 durch den Halbierungskon densator C2 negativ angesteuert. Liegt die momentane, gleich gerichtete Netzspannung (V+ - V-) höher als die Spannung am Stützkondensator C1, wird dieser durch einen von S2 geschlos senen Strompfad über die Speicherinduktivität L1 und die Diode D2 aufgeladen. Liegt die momentane, gleichgerichtete Netz spannung (V+ - V-) niedriger als die Spannung am Stützkonden sator C1, fließt durch diesen kein Strom.If the switch S2 is closed, the series connection of the Coil inductor L2 and the lamp LL1 by the halving con capacitor C2 driven negatively. If the current is the same directed mains voltage (V + - V-) higher than the voltage at Support capacitor C1, this is closed by one of S2 its current path via the storage inductance L1 and the diode D2 charged. Is the current, rectified network voltage (V + - V-) lower than the voltage at the support condens sator C1, no current flows through it.

Ist die momentane, gleichgerichtete Netzspannung (V+ - V-) größer als die Spannung am Stützkondensator C1 und der Schal ter S1 geschlossen, fließt die in der Spule L1 gespeicherte Energie über die Diode D2 und den Schalter S1 in den Stütz kondensator C1. Die Halbbrücke wird dabei direkt über den Brückengleichrichter Br1 bzw. den Speicherkondensator C3 ver sorgt. Liegt die momentane, gleichgerichtete Netzspannung (V+ - V-) bei geschlossenem Schalter S1 jedoch niedriger als die Spannung am Stützkondensator C1, wird die Halbbrücke zunächst vom Speicherkondensator C3 versorgt, bis die Spannungen am Speicherkondensator und am Stützkondensator gleich sind. Da nach trägt der Stützkondensator C1 durch seine Entladung über den Halbierungskondensator C2 und die Lampeninduktivität L2 zum Lampenstrom bei. Der beschriebene Entladungspfad des Stützkondensators wird durch die Diode D1 geschlossen. Dabei verhindert die Diode D2 einen direkten Kurzschluss der Entla dung über den Schalter S1 und die Speicherinduktivität L1. Somit wird die Serienschaltung L2-LL1 mittels des Entlade stroms aus dem Speicherkondensator C3 bzw. dem Stützkondensa tor C1 positiv angesteuert. Is the current rectified mains voltage (V + - V-) greater than the voltage across the support capacitor C1 and the scarf ter S1 closed, the stored in coil L1 flows Energy via the diode D2 and the switch S1 in the support capacitor C1. The half bridge is directly over the Bridge rectifier Br1 or the storage capacitor C3 ver provides. Is the current, rectified mains voltage (V + - V-) but with switch S1 closed, lower than that Voltage at the support capacitor C1, the half-bridge is initially powered by storage capacitor C3 until the voltages at Storage capacitor and on the backup capacitor are the same. because after the support capacitor C1 transfers through its discharge the halving capacitor C2 and the lamp inductance L2 to the lamp current at. The described discharge path of the Support capacitor is closed by diode D1. there diode D2 prevents a direct short circuit of the discharge tion via the switch S1 and the memory inductance L1. Thus, the series circuit L2-LL1 by means of the discharge current from the storage capacitor C3 or the backup capacitor Gate C1 controlled positively.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

X1, X2 Wechselspannungsanschlüsse
Br1 Brückengleichrichter
C3 Speicherkondensator
C1 Stützkondensator
L1 Speicherinduktivität, Spule
D1 Entladungsdiode für den Stützkondensator
D2 Ladediode für den Stützkondensator
S1, S2 Schalter der Halbbrückenschaltung
C2 Halbierungskondensator
L2 Lampendrossel
LL1 Niederdruck-Entladungslampe
V+ Pluspol des Brückengleichrichters
V- Minuspol des Brückengleichrichters
X1, X2 AC voltage connections
Br1 bridge rectifier
C3 storage capacitor
C1 support capacitor
L1 memory inductance, coil
D1 discharge diode for the backup capacitor
D2 charging diode for the backup capacitor
S1, S2 switch of the half-bridge circuit
C2 halving capacitor
L2 lamp choke
LL1 low pressure discharge lamp
V + positive pole of the bridge rectifier
V-negative pole of the bridge rectifier

Claims

1. Schaltungsanordnung, umfassend:
eine Gleichspannungsquelle, die mit einem Wechselrichter verbunden ist, an den ausgangsseitig wenigstens ein Lastkreis anschließbar ist, der eine Lam pendrossel und eine zu dieser in Reihe liegende Nieder druckentladungslampe umfasst,
wobei zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Wechsel richter ein Netzwerk passiver Bauelemente angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein den positiven Ausgang der Gleichspannungsquelle (Br1) stützen der Stützkondensator (C1), eine Speicherinduktivität (L1) und eine erste Diode (D2) in Reihe auf einen Ausgang des Wechselrichters (S1, S2) geschaltet sind, wobei eine zwei te Diode (D1) den Strompfad vom Lastkreis zum Stützkonden sator schließt, wenn Strom aus dem Stützkondensator in den Lastkreis fließt.1. Circuit arrangement comprising:
a DC voltage source, which is connected to an inverter, to which at least one load circuit can be connected on the output side and comprises a lamp choke and a low-pressure discharge lamp lying in series with the latter,
wherein a network of passive components is arranged between the DC voltage source and the inverter, characterized in that the support capacitor (C1), a storage inductance (L1) and a first diode (D2) support the positive output of the DC voltage source (Br1) in series an output of the inverter (S1, S2) are connected, with a second diode (D1) closing the current path from the load circuit to the support capacitor when current flows from the support capacitor into the load circuit.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass
die Anode des Stützkondensators C1 und der Pluspol (V+) der Gleichspannungsquelle Br1 mit dem positiven Eingang des Wechselrichters verbunden sind,
die Kathode des Stützkondensators C1 mit der Speicherin duktivität (L1) verbunden ist, an die sich in Reihe die erste Diode D2 anschließt, wobei die Kathode der Diode D2 an den Ausgang des Wechselrichters angeschlossen ist;
der negative Eingang des Wechselrichters und die Anode der zweiten Diode D1 an den Minuspol (V-) der Gleichspan nungsquelle angeschlossen ist, und
4 die Kathode der zweiten Diode D1 an die Kathode des Stützkondensators C1 angeschlossen ist.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that
the anode of the support capacitor C1 and the positive pole (V +) of the DC voltage source Br1 are connected to the positive input of the inverter,
the cathode of the supporting capacitor C1 is connected to the storage inductance (L1), to which the first diode D2 is connected in series, the cathode of the diode D2 being connected to the output of the inverter;
the negative input of the inverter and the anode of the second diode D1 is connected to the negative pole (V-) of the direct voltage source, and
4 the cathode of the second diode D1 is connected to the cathode of the supporting capacitor C1.