-
Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Beheizung wenigstens
einer Heizwendel einer Gasentladungslampe, insbesondere einer Leuchtstofflampe.
-
Der
Eingang einer Heizschaltung wird üblicherweise mit einer
Gleichspannungsquelle verbunden. Weiterhin weist einer derartige
Heizschaltung auf:
eine Serienschaltung, die mindestens die
Primärwicklung eines Transformators und ein getaktetes Schalterelement
umfasst,
eine mit dem Ausgang einer ersten Sekundärwicklung
des Transformators verbundenen Serienschaltung, die mindestens eine
Gleichrichterdiode und einen Ausgangskondensator umfasst, wobei
der Ausgangskondensator die Heizspannung für die wenigstens
eine Heizwendel zur Verfügung stellt,
und einen Steuer-
oder Regelschaltungsteil, welcher die Taktfrequenz und/oder das
Taktverhältnis der Schaltimpulse für das getaktete
Schalterelement liefert.
-
Bei
einer aus der
WO
2006/111263 A1 bekannten Schaltung der vorstehend erwähnten
Art sind die Primärwicklung und mindestens die erste Sekundärwicklung
gegensinnig gewickelt, so dass die Schaltung als Sperrwandler (engl.
Flyback Converter) arbeitet, bei dem also eine Energieübertragung
auf die Sekundärseite erfolgt, wenn ein primärseitiger
Schalter (in Serie zu der primärseitigen Wicklung) geöffnet
ist. Ein Nachteil des Sperrwandlers ist, dass der Transformator
nicht nur die Netztrennung und die erforderliche Spannungsuntersetzung
vornehmen muss, sondern gleichzeitig als Speicherdrossel wirkt.
Dabei wird die Energie in dem Transformator zwischengespeichert.
Wegen der auftretenden Gleichstrom-Vormagnetisierung muss der Transformator
stark überdimensioniert werden.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zur Wendelheizung
zu schaffen, die sich durch hohe Flexibilität, vor allem
für Multilampengeräte, sowie durch hohe Effizienz
auszeichnet.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche
gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden
den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter
Weise weiter.
-
Gemäss
einem ersten Aspekt sind bei der Heizschaltung die Primärwicklung
und mindestens die erste Sekundärwicklung des Transformators gleichsinnig
gewickelt, so dass die Schaltung als Durchflusswandler (auch Vorwärtswandler
genannt) arbeitet, und dass Entmagnetisierungsmittel vorgesehen
sind, über die der magnetische Fluss im Transformator während
der Sperrphase abgebaut werden kann.
-
Um
beide Heizwendeln der Gasentladungslampe mit der Heizschaltung betreiben
zu können, wird als weiterbildende Maßnahme vorgeschlagen, dass
der Transformator eine zweite Sekundärwicklung hat, die
ebenfalls gleichen Wicklungssinn wie die Primärwicklung
hat,
und dass mit dem Ausgang der zweiten Sekundärwicklung
eine Serienschaltung verbunden ist, die mindestens eine zweite Gleichrichterdiode
und einen zweiten Ausgangskondensator umfasst, wobei der zweite
Ausgangskondensator die Heizspannung für die andere Heizwendel
der Gasentladungslampe zur Verfügung stellt.
-
Die
Entmagnetisierungsmittel können auf unterschiedliche Art
praktisch realisiert werden.
-
So
besteht eine erste Möglichkeit darin, dass die Entmagnetisierungsmittel
von einer Serienschaltung gebildet sind, die mindestens eine Freilaufdiode und
eine dritte Sekundärwicklung des Transformators umfasst,
wobei die dritte Sekundärwicklung gegensinnig zu der Primärwicklung
gewickelt ist, und wobei die vorstehend genannte Serienschaltung
parallel zu der mindestens die Primärwicklung des Transformators
und das getaktete Schalterelement umfassenden Serienschaltung liegt.
-
Eine
weitere Möglichkeit zur praktischen Realisierung der Entmagnetisierungsmittel
besteht darin, dass diese von einer Serienschaltung gebildet sind,
die mindestens eine vierte Sekundärwicklung des Transformators
und eine dritte Gleichrichterdiode umfasst, wobei die vorstehend
genannte Serienschaltung parallel zu der Serienschaltung liegt,
die mindestens die erste Sekundärwicklung des Transformators
und die erste Gleichrichterdiode umfasst.
-
Eine
weitere Möglichkeit zur praktischen Realisierung der Entmagnetisierungsmittel
besteht darin, dass diese zusätzlich von einer Serienschaltung gebildet
sind, die mindestens eine fünfte Sekundärwicklung
des Transformators und eine vierte Gleichrichterdiode umfasst, wobei
die vorstehend genannte Serienschaltung parallel zu der Serienschaltung
liegt, die mindestens die zweite Sekundärwicklung des Transformators
und die zweite Gleichrichterdiode umfasst.
-
Eine
andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltung
kann darin bestehen, dass zwischen die Gleichrichterdiode und den
Ausgangskondensator eine Glättungsfilter geschaltet ist,
das aus einer im Längszweig liegenden Drossel und einer
im Querzweig liegenden Diode besteht.
-
Ausgehend
von der letztgenannten weiterbildenden Maßnahme besteht
eine weitere Möglichkeit zur Realisierung der Entmagnetisierungsmittel
darin, dass diese von einem Kondensator gebildet sind, der zu der
Gleichrichterdiode parallel geschaltet ist.
-
Die
erfindungsgemäße Heizschaltung mit nur einem getakteten
Schalterelement arbeitet als Eintakt-Durchflusswandler. Es ist jedoch
auch möglich, die Heizschaltung als Halbbrücken-Durchflusswandler
auszugestalten. Dazu wird vorgeschlagen, dass die mindestens die
Primärwicklung des Transformators und das getaktete Schalterelement
umfassende Serienschaltung ein weiteres getaktetes Schalterelement
enthält, welches auf der anderen Seite der Primärwicklung
liegt. Der „kalte” Anschluss des erstgenannten
Schalterelementes ist über eine in Sperrrichtung gepolte
Diode mit dem kalten Anschluss des weiteren Schalterelementes verbunden. Der
potentialhöhere („heiße”) Anschluss
des weiteren Schalterelementes liegt am positiven Gleichspannungspotential.
Der heiße Anschluss des erstgenannten Schalterelementes
ist über eine in Sperrrichtung gepolte Diode mit im positiven
Gleichspannungspotential verbunden.
-
Der
Durchflusswandler kann im kontinuierlichen und im diskontinuierlichen
Betrieb arbeiten. Im Gegensatz zum kontinuierlichen Betrieb wird
der Laststrom im diskontinuierlichen Betrieb in jeder Periode zu
Null. In diesem Falle bilden Schaltungskapazitäten und
Dioden-Sperrschichtkapazitäten mit der Transformatorinduktivität
einen Schwingkreis, der bewirkt, dass die Spannung an dem getakteten Schalter
oszilliert. Um die Schaltverluste möglichst gering zu halten
und um die Effizienz der Schaltung zu erhöhen müssen
Maßnahmen getroffen werden, um den Schalter dann umzuschalten,
wenn die oszillierende Spannung Null oder nahezu Null ist. Dazu wird
vorgeschlagen, dass ein Resonanzkondensator zu der Primärwicklung
des Kondensators oder zu der Sekundärwicklung parallel
geschaltet wird, und/oder dass der Resonanzkondensator zu dem getakteten Schalterelement
parallel geschaltet ist. Durch entsprechende Bemessung des Resonanzkondensators soll
es möglich werden, die sich ausbildende Wechselspannung
so zu beeinflussen, dass eine Umschaltung tatsächlich bei
Null oder nahe Null erfolgt.
-
Eine
andere weiterbildende Maßnahme, die dem gleichen Ziel dient,
kann darin bestehen, dass dem Regelschaltungsteil ein der Ausgangsspannung an
dem oder an einem der Ausgangskondensatoren entsprechendes Istwertsignal
und/oder ein dem Strom durch das getaktete Schalterelement entsprechendes
Istwertsignal und/oder ein der Spannung über dem getakteten
Schalterelement entsprechendes Istwertsignal zugeführt
wird/werden. Mit diesem/diesen Istwertsignal/Istwertsignalen kann
der Regelschaltungsteil die Parameter der Wechselspannung in der
beschriebenen Weise beeinflussen. Mit dem dem Strom durch das getaktete
Schalterelement entsprechenden Istwertsignal ist es außerdem möglich,
den Strom zum Schutz gegen eine Sättigung des Transformators
zu limitieren. Die Ausgangsspannung kann zur Regelung des Durchflusswandlers
oder nur zur Fehlerabschaltung verwendet werden.
-
Eine
andere weiterbildende Maßnahme kann darin bestehen, dass
der Transformator eine zusätzliche Sekundärwicklung
aufweist, die eine Niedervolt-Erzeugungsschaltung speist.
-
Ein
weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf Beleuchtungssysteme,
aufweisend wenigstens ein Vorschaltgerät der oben genannten
Art, wobei an das oder die Vorschaltgeräte jeweils ein
oder mehrere Lampen angeschlossen sind.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.
-
Die 1 bis 7 zeigen
verschiedene Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Heizschaltung.
-
Die
Grundschaltung ist in 1 dargestellt. Sie wird von
einer Gleichspannungsquelle Vbus mit Gleichspannung versorgt. Diese
wird beispielsweise von der aktiven Leistungsfaktor-Vorregelung
(PFC) eines elektronischen Vorschaltgerätes erzeugt, die einen
aktiv getakteten Schalter aufweist. Das positive Gleichspannungspotenzial
liegt an Vbus, und das negative Gleichspannungspotenzial liegt an
Masse. Zwischen Vbus und Masse liegt eine Serienschaltung aus der
Primärwicklung 2 eines Transformators und eines
getakteten elektronischen Schalterelementes 3. Diese Serienschaltung
kann zusätzlich noch einen Widerstand 5 enthalten,
an dem eine dem Primärstrom entsprechende Spannung abfällt,
die einer Steuer-/Regelschaltung μC zugeführt
wird, welche das elektronische Schalterelement 3 taktet.
-
Die
Bezeichnung „μC” zeigt, dass es sich
dabei um eine integrierte Schaltung, bspw. eine ASIC oder einen μC
oder eine Hybridlösung davon handeln kann.
-
Der
Transformator enthält ferner eine erste Sekundärwicklung 7 und
eine zweite Sekundärwicklung 6, die beide gleichsinnig
mit der Primärwicklung 2 gewickelt sind. Die an
den beiden Sekundärwicklungen 7, 6 entstehenden
Spannungen werden durch eine Gleichrichterdiode 9, 8 gleichgerichtet
und durch einen Ausgangskondensator 10, 11 geglättet.
Die an den beiden Ausgangskondensatoren 10, 11 abfallenden
Spannungen werden den Heizwendeln 14, 13 der Gasentladungslampe
hinzugeführt. Im Ausgangskondensator 11 liegt
nur ein Spannungsteiler 12, von dem ein Istwertsignal abgeleitet
wird, das der Spannung über der Heizwendel 13 der
Leuchtstoffrohre entspricht. Dieses Istwertsignal wird ebenfalls dem
Steuer-Regelschaltungsteil μC zugeführt. Letzteres
arbeitet als Regelschaltungsteil, wenn es die ihm zugeführten
Istwertsignale auswertet und mit Sollwertsignalen vergleicht, um
die Taktfrequenz und das Taktverhältnis des elektronischen
Schalterelementes 3 entsprechend einzustellen.
-
Zur
Entmagnetisierung des Transformators in der Sperrphase des elektronischen
Schalterelementes 3 ist hier zur Primärwicklung 2,
das elektronische Schalterelement 3 und den Widerstand 5 umfassenden
Serienschaltung eine weitere Serienschaltung parallel geschaltet,
die aus einer dritten Sekundärwicklung 15 und
einer in Sperrrichtung geschalteten Freilaufdiode 16 besteht.
Die dritte Sekundärwicklung 15 ist gegensinnig
zu der Primärwicklung 2 gewickelt.
-
Zu
der Wirkungsweise der aus der Freilaufdiode 16 und der
Induktivität 15 bestehenden Entmagnetisierungs-Serienschaltung
ist folgendes zu bemerken: Während das elektronische Schalterelement 3 ausgeschaltet
ist, baut sich die Magnetisierung über die Induktivität 15 und
die Freilaufdiode 16 ab. Als Schutz vor dem Sättigen
des Transformators wird der Primärstrom an dem Widerstand 5 gemessen und
gegebenenfalls limitiert. Zusätzlich kann aufgrund des
maximalen Stromes auf die Belastung geschlossen werden (Überlast
oder keine Last). Die Ausgangsspannung kann nur auf einer Sekundärseite
des Transformators gemessen werden, da alle Wicklungen parallel
geschaltet sind. Die an dem Spannungsteiler 12 gemessene
Ausgangsspannung wird zur Regelung des Durchflusswandlers oder nur zur
Fehlerabschaltung verwendet.
-
Die
Heizschaltung nach 2 unterscheidet sich von derjenigen
nach 1 dadurch, dass in beiden Ausgangskreisen noch
ein Glättungsfilter eingefügt ist. Im oberen Ausgangskreis
besteht das Glättungsfilter aus der quer liegenden Diode 18 und
der längs verlaufenden Drossel 20. Im unteren
Ausgangskreis wird das Glättungsfilter von der quer liegenden
Diode 17 und der längs verlaufenden Drossel 19 gebildet.
-
Die
Heizschaltung nach 3 zeigt eine andere Realisierung
der Entmagnetisierungsmittel. An Stelle der Ausgangsfreilaufdiode 16 und
der Induktivität 15 gebildeten Serienschaltung
erfolgt die Entmagnetisierung hier über eine zusätzliche
Sekundärschaltung in jedem der beiden Ausgangskreise sowie durch
eine zusätzliche Diode. Im oberen Ausgangskreis sind dies
die vierte Sekundärwicklung 33 und die weitere
Diode 31. Im unteren Ausgangskreis sind das die fünfte
Sekundärwicklung 32 und die weitere Diode 30.
Bemerkenswert ist hier, dass die zusätzlichen Sekundärwicklungen 33 und 32 gegensinnig
zu der Primärwicklung 2 gewickelt sind.
-
Die
Heizschaltung nach 4 zeigt eine weitere Möglichkeit
zur Realisierung der Entmagnetisierungsmittel. An Stelle der Freilaufdiode 16 und
der Induktivität 15 erfolgt die Entmagnetisierung
hier im oberen Ausgangskreis durch den zusätzlichen Kondensator 26 und
die zusätzliche Diode 18. Der Kondensator 26 ist
zu der Diode 9 parallel geschaltet. Die Diode 18 liegt
in Querrichtung. Analog dazu ist im unteren Ausgangskreis ein zusätzlicher
Kondensator 25, der parallel zur Diode 8 liegt
und eine weitere in Querrichtung verlaufende Diode 17 vorgesehen.
-
5 zeigt
eine Heizschaltung mit zwei getakteten Schalterelementen 3 und 21.
Das Schalterelement 3 liegt – wie bei der Schaltung
in 1 – wiederum in Serie mit dem Widerstand 5 und
der Primärwicklung 2. Die Primärwicklung 2 ist
jedoch mit ihrem heißen Ende nicht direkt mit dem positiven
Gleichspannungspotenzial verbunden, sondern mit dem Seitenanschluss
eines zweiten getakteten Schalterelementes 21, dessen heißer
Anschluss an dem positiven Potential Vbus der Gleichspannungsquelle
bzw. Gleichspannungversorgung liegt. Der potentialhöhere
(„heiße”) Anschluss des Schalterelementes 3 ist über
eine in Sperrichtung geschaltete Diode 23 mit dem positiven
Potentialanschluss Vbus der Gleichspannungsquelle verbunden. Umgekehrt
ist der kalte Anschluss des weiteren Schalterelementes 21 über eine
ebenfalls in Sperrichtung geschaltete Diode 24 mit Masse
verbunden. Die beiden Schalterelemente 3 und 21 bilden
eine Halbbrücke. Beide Schalterelemente 3 und 21 werden
von dem Steuer /Regelschaltungsteil μC gesteuert bzw. geregelt.
Die beiden Ausgangskreise sind wie bei der Schaltung nach 2 ausgeführt.
-
Die
Schaltung arbeitet wie folgt: Während die Schalter 3, 21 eingeschaltet
sind, fließt Strom über die Primärwicklung 2,
welche einen magnetischen Fluss induziert. Dieser magnetische Fluss
induziert einen Strom in die Sekundärwicklungen 7 bzw. 6 des Transformators.
Wenn die Schalter 3, 21 ausgeschaltet sind baut
sich die Magnetisierung über die Primärwicklung 2 und
die Dioden 23, 24 ab. Die Entmagnetisierungsmittel
sind demnach hier im Wesentlichen durch die beiden Dioden 23 und 24 realisiert.
-
Bei
der Heizschaltung nach 6 werden die Entmagnetisierungsmittel
durch zwei zusätzliche Kondensatoren 1 und 27 realisiert.
Der Kondensator 1 ist parallel zu der Primärwicklung 2 des
Transformators geschaltet. Der Kondensator 1 kann auch
als Wicklungskapazität in den Transformator 2, 7 integriert
sein und muss somit nicht separat vorgesehen sein. Der Kondensator 27 ist
parallel zu der aus dem Schalterelement 3 und dem Widerstand 5 bestehenden
Serienschaltung geschaltet. Es sei aber ausdrücklich darauf
hingewiesen, dass nicht zwingend zwei solche Kondensatoren zur Entmagnetisierung vorgesehen
werden müssen, sondern dass ein Kondensator von beiden
genügt.
-
Eine
Alternative zu der Schaltung nach 6 ist die
Schaltung nach 7. Hier ist eine weitere Sekundärwicklung 28 vorgesehen,
die zum Ableiten einer Niedervoltspannung dient. Eine solche wird
beispielsweise zur Spannungsversorgung eines ASIC benötigt.
Die an der weiteren Sekundärwicklung 28 induzierte
Spannung wird zunächst durch die Diode 37 gleichgerichtet
und durch den Kondensator 38 geglättet. Durch
einen Serienwiderstand und eine quer geschaltete Zehnerdiode 36 sowie
einen weiteren zu dieser parallel geschalteten Kondensator 35 wird
die Niedervoltspannung stabilisiert.
-
Die
Entmagnetisierungsfunktion übernimmt hier ein zusätzlicher
parallel zu der Sekundärwicklung 28 geschalteter
Kondensator 29. Dieser kann die Kondensatoren 1 und 27 in
der Schaltung nach 6 ersetzten.
-
Die
Verwendung der Kondensatoren 1, 27 und 29 in
den 6 und 7 erfolgt zu einem weiteren
Zweck. Wenn die Schaltung im nicht-kontinuierlichen Modus betrieben
wird, so werden Schwingungen in der Umschaltphase wirksam, die durch
eine Schwingkreisbildung entstehen. Der Schwingkreis bildet sich
durch die Transformator-Induktivitäten sowie Schaltkapazitäten
und/oder Streukapazitäten. Um nun möglichst keine
Umschaltverluste entstehen zu lassen, soll das Umschalten des elektronischen Schalterelementes
genau dann erfolgen, wenn die Schwingungen einen Nulldurchgang haben.
Dazu ist es notwendig, die Frequenz dieser Schwingungen zu beeinflussen.
Das gelingt durch das Einführen zusätzlicher Kapazitäten,
wie beispielsweise der Kondensatoren 1, 27 und 29.
Bei entsprechender Bemessung dieser Kondensatoren oder eines der
Kondensatoren gelingt es tatsächlich, das Umschalten genau
im Nulldurchgang oder in der Nähe des Nulldurchganges durchzuführen.
Die Spannung am Schalter wird an dem Spannungsteiler (4)
gemessen und ist dem Steuer/Regelschaltungsteil μC damit
bekannt. Durch das Erkennen des Einschaltzeitpunktes ergibt sich
die Arbeitsfrequenz. Die Ausgangsspannung wird durch das Tastverhältnis
eines PWM-Schaltsignales bestimmt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 2006/111263
A1 [0003]