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Schaltung zur Helligkeitssteuerung von Leuchtstofflampen
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Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Helligkeitssteuerung von
Leuchtstofflampen mit heizbaren Elektroden.
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Bei bekannten Schaltungen dieser Art ist ein Phasenanschnitt der Speisespannung
vorgesehen, derart, daß der zu steuernden Leuchtstofflampe eine etwa sinusförmige
Wechselspannung erst eine jeweils bestimmte Zeit nach ihrem Nulldurchgang zugeführt
wird.
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Nachteilig ist bei den bekannten Schaltungen, daß die Einstellung
der Leuchtstofflampe auf geringe Helligkeitswerte Schwierigkeiten bereitet, da sich
die Entladungsstrecke innerhalb der Lampe bei großer Verzögerung der Spannungsbeaufschlagung
nach dem jeweiligen Nulldurchgang so weit verfestigt hat, daß eine neuerliche Zündung
unter Umständen nicht mehr stattfindet. Bei der Einstellung geringer Helligkeitswerte
beginnt daher eine mit einer bekannten Schaltung verbundene Leuchtstofflampe zu
flackern und erlischt schließlich.
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Ferner ist es bei bekannten Schaltungen der hier betrachteten Art
nicht ohne weiteres möglich, eine Konstantregelung der Helligkeit entsprechend einem
bestimmten Sollwert vorzunehmen.
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Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Schaltung
zur Helligkeitssteuerung von Leuchtstofflampen mit heizbaren Elektroden so auszugestalten,
daß eine Einstellung in einem weiten Bereich von Null bis zur Maximalleistung möglich
ist.
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Diese Aufgabe wird erfindunggemäß gelöst durch einen in Reihenschaltung
mit mindestens einer Elektrodenheizung zur Entladungsstrecke der Leuchtstofflampe
parallelliegenden, steuerbaren Nebenschlußzweig, welcher jeweils um eine von einem
Sollwert abhängige Zeit nach einem Nulldurchgang des Lampenstromes leitend schaltbar
ist.
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Diese Ausgestaltung der Steuerschaltung hat den Vorteil, daß die Elektrodenheizung
bzw. die Elektrodenheizungen aufgrund ihrer Reihenschaltung mit dem genannten Nebenschlußzweig
um so mehr Leistung aufzunehmen vermögen, je länger der Nebenschlußzweig in Betrieb
ist und folglich die Entladungsstrecke im wesentlichen kurzschließt, so daß die
Elektrodenheizung um so wirksamer ist, je niedriger der eingestellte Helligkeitswert
ist und je schwieriger folglich normalerweise die Zündung der Entladungsstrecke
der Leuchtstofflampe ist. Mit der hier vorgeschlagenen Schaltung kann demgemäß eine
störungsfreie Einstellung der Helligkeit vom Wert Null bis zur maximalen Lichtleistung
der Leuchtstofflampe vorgenommen werden. Ein Flackern der Leuchtstofflampe tritt
bei niedrigen eingestellten Helligkeitswerten nicht auf.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung kann ein auf den Lampenstrom
ansprechender Impulsgenerator vorgesehen sein, welcher den Lampenstromnulldurchgang
signalisierende Signale an eine Steuersignalerzeugungsschaltung abgibt, die ihrerseits
Steuersignale
an ein im genannten Nebenschluß liegendes, steuerbares
elektrisches Ventil abgibt.
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Die vorerwähnte Steuersignalerzeugungsschaltung kann einen ein Eingangssignal
integrierenden Rampengenerator und eine an diesen angeschlossene Vergleicherschaltung
enthalten, welche als weiteres Eingangssignal ein Sollwertsignal aufnimmt und mit
ihrem Ausgang einen an das elektrische Ventil angeschlossenen Steuerimpulsgeber
speist.
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Die Rückstellung des das Eingangssignal integrierenden Rampengenerators
kann von dem auf den Lampenstrom ansprechenden Impulsgenerator aus vorgenommen werden.
Wird dem Rampengenerator ein Konstantspannungssignal zugeführt, welches integriert
wird, so erzeugt der Rampengenerator eine Sägezahnkurve mit geradliniger Anstiegsflanke,
während dann, wenn der Rampengenerator mit einer dem Lampenstrom entsprechenden
Spannung, insbesondere einer Sinuswelle nach Vollwellengleichrichtung, gespeist
wird, die Anstiegsflanken der Sägezahnkurve entsprechend der Integration sinusartig
gekrümmt sind.
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Wird dann das Ausgangssignal des Rampengenerators in dem nachgeschalteten
Vergleicher mit einer bestimmten Sollwertspannung verglichen, so kann je nach Verwendung
des zu integrierenden Rampengenerator-Eingangssignales in Gestalt eines Konstantspannungssignales
oder in Gestalt einer Sinushalbwelle die Regelung auf eine bestimmte Lampenbrenndauer
oder auf eine bestimmte effektive Lichtmenge verwirklicht werden.
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Eine zweckmäßige Bauform des auf den Lampenstrom ansprechenden Impulsgenerators
enthält einen Vollwellengleichrichter und einen mit diesem verbundenen Vergleicher,
welcher als weiteres Eingangssignal ein Schwellwertsignal aufnimmt und der so geschaltet
ist, daß er ausgangsseitig bei Unterschreitung des Schwellwertsignales durch das
Ausgangssignal des Vollwellengleichrichters die Nulldurchgangsmeldesignale abgibt.
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Im übrigen sind zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der
hier angegebenen Schaltung Gegenstand der anliegenden Ansprüche, deren Inhalt hierdurch
ausdrücklich zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird, ohne an dieser Stelle
den Wortlaut zu wiederholen.
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Eine Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die anliegende
Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Helligkeitssteuerschaltung
für Leuchtstofflampen und Fig. 2 ein mehr ins Einzelne gehendes Schaltbild der Steuerschaltung
gemäß Figur 1.
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Figur 1 zeigt eine Leuchtstofflampe 1 mit heizbaren Elektroden 2 und
3. Die Elektrode 2 ist über eine Drossel 4 an eine Klemme 5 angeschlossen, an welcher
eine Wechselspannung von beispielsweise 220 Volt anliegt. Die Elektrode 3 ist über
einen Strommeßwiderstand 6 in der aus Figur 1 ersichtlichen Weise geerdet.
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Parallel zu der Entladungsstrecke der Leuchtstofflampe 1 liegt ein
Nebenschlußzweig 7, der ein steuerbares elektrisches Ventil in Gestalt eines TRIAC
8 aufweist.
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In Reihe zu dem elektrischen Ventil 8 sind die Heizstrompfade der
Elektrode 2 und der Elektrode 3 geschaltet, so daß die Reihenschaltung des Heizstrompfades
der Elektrode 2, des elektrischen Ventils 8 und des Heizstrompfades der Elektrode
3 im wesentlichen an der Speisespannung der Leuchtstofflampe 1 anliegt. Je nach
Auftreten eines Steuersignales auf der Steuersignalleitung 9 wird das elektrische
Ventil 8 kürzere oder längere Zeit nach einem Nulldurchgang des Lampenstromes gezündet
und bewirkt dann einen Kurzschluß der Entladungsstrecke der Leuchtstofflampe 1 über
den Nebenschlußzweig 7, so daß die
Leuchtstofflampe erlischt, während
gleichzeitig während der Dauer des Kurzschlusses über den Nebenschlußzweig eine
Heizung der Elektroden 2 und 3 erfolgt und somit die nächste Zündung der Entladungsstrecke
vorbereitet wird.
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Ausgangspunkt für die Steuerung des elektrischen Ventils bzw.
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TRIACS 8 ist ein Nulldurchgang des Lampenstromes, welcher an dem Strommeßwiderstand
6 einen bestimmten Spannungsabfall erzeugt. Dieser Spannungsabfall wird vermittels
der Leitung 10 abgetastet und bewirkt in einem Impulsgeber 11 die Erzeugung eines
kurzen Nulldurchgangmeldesignals oder -impulses, der auf der Ausgangsleitung 12
des Impulsgebers 11 dargeboten wird.
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Die Ausgangssignale des Impulsgebers 11 dienen zur Steuerung eines
Rampengenerators oder Sägezahngenerators 13, welcher so ausgebildet ist, daß abhängig
von dem Auftreten der Impulse auf der Leitung 12 ein mit einem Lampenstromnulldurchgang
im wesentlichen zusammenfallender oder einhergehender Abfall und Wiederbeginn des
Anstiegs der Ausgangsspannung auf der Leitung 14 erzwungen wird. Enthält der Rampengenerator
einen Integrator, welcher mit einer konstanten Eingangsspannung gespeist wird, so
besitzt die Sägezahn-Kurvenform der Ausgangsspannung auf der Leitung 14 geradlinige
Anstiegsflanken, während bei Speisung des integrierenden Rampengenerators mit einer
Kurvenform entsprechend einer Vollwellengleichrichtung die Anstiegsflanken der Ausgangs-Sägezahnkurve
sinusartig gekrümmt sind.
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Die Sägezahnkurvenform der Ausgangs spannung auf der Leitung 14 wird
in einem Vergleicher 15 mit einer über eine Klemme 15a eingebbaren Sollwertspannung
verglichen, so daß im Falle der Eingangssignale zu dem Vergleicher 15 auf der Ausgangsleitung
16 des Vergleichers ein Signal auftritt, welches im Falle der Speisung des integrierenden
Rampengenrators 13 mit einer konstanten Spannung einem bestimmten Zeitpunkt nach
dem Lampenstromnulldurchgang zugeordnet ist und welches im Falle der Speisung des
integrierenden Rampengenerators 13 mit einer
Spannung entsprechend
dem vollwellengleichgerichteten Lampenstrom einer bestimmten elektrischen Arbeit
nach dem Lampenstromnulldurchgang zugeordnet ist.
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Die Ausgangssignale der Leitung 16 werden einem Steuerimpulsgeber
17 zugeführt, welcher die Steuersignale zur Zündung des TRIAC 8 an die Leitung 9
abgibt.
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Es sei darauf hingewiesen, daß im Gegensatz zu entsprechenden bekannten
Schaltungen bei der hier vorgeschlagenen Schaltung die Leuchtstofflampe 1 beim Nulldurchgang
der Speisespannung sogleich zündet und erst eine bestimmte Zeit nach dem Nulldurchgang
des Lampenstromes durch Leitendschalten des elektrischen Ventiles 8 gelöscht wird,
so daß hier gleichsam von einem Phasenanschnitt von rückwärts gesprochen werden
kann.
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Nachdem die Leuchtstofflampe 1 bei Inbetriebsetzung noch nicht erstmalig
gezündet ist, müssen zunächst Zündimpulse an die Elektroden 2 und 3 gelegt werden.
Diese Zündimpulse können ebenfalls von dem Steuerimpulsgeber 17 bereitgestellt werden.
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Da jedoch vor Inbetriebnahme ein Lampenstrom an dem Strommeßwiderstand
6 noch keinen Spannungsabfall verursacht, so daß auch die aus den Bauteilen 11,
13 und 15 gebildete Schaltung noch nicht arbeitet, erfolgt eine Beaufschlagung der
Leitung 16 mit den Impulsgeber 17 erregenden Signalen mittels des Zündimpulsgenerators
18, welcher über die Leitung 12 außer Betrieb gesetzt wird, sobald der Impulsgeber
11 einen Lampenstrom signalisiert.
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Aus Figur 2 ist zu ersehen, daß der Impulsgeber 11 gemäß einer vorteilhaften
Ausführungsform eine Vollwellengleichrichterschaltung 20 und einen Vergleicher 21
enthalten kann. Die Vollwellengleichrichterschaltung 20 weist einen Operationsverstärker
22 auf, dessen invertierender Eingang in der in Figur 2 gezeigten Weise geerdet
ist, während der nicht invertierende Eingang über einen Widerstand 23 mit der zu
dem Strommeßwiderstand 6 führenden
Leitung 10 verbunden ist und
außerdem über einen dem Widerstand 23 gleichen Widerstand 24 mit dem Schaltungsausgang
25 Verbindung hat, der über eine Diode 26 an den Ausgang des Operationsverstärkers
22 angeschlossen ist. Die Schaltung 20 bewirkt aufgrund dieser Ausgestaltung eine
präzise Vollwellengleichrichtung einer Spannung entsprechend dem Stromfluß durch
den Widerstand 6.
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Die Ausgangs spannung der Vollwellengleichrichterschaltung 20 wird
in dem Vergleicher 21 mit einer Schwellspannung verglichen, welche von einem Spannungsteiler
abgegriffen und dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 27 der Schaltung
21 zugeführt wird.
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Sobald die dem nicht invertierenden Eingang zugeführte Spannung des
Schaltungspunktes 25 unter den gewählten Schwellenwert abfällt, erscheint auf der
Ausgangsleitung 12 des Operationsverstärkers 27 eine Signalspannung, welche verschwindet,
sobald die Spannung des Schaltungspunktes 25 wieder über den gewählten Schwellenwert
ansteigt. Da im Bereich des Zwischenraumes zwischen zwei Halbwellen einer vollwellengleichgerichteten
Spannung das Absinken unter einen niedrig gewählten Schwellenwert nur sehr kurzzeitig
ist, können von der Leitung 12 sehr scharfe und schmale Nulldurchgangsmeldesignale
abgenommen werden.
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Der integrierende Rampengenerator 13 enthält bei der Ausführungsform
nach Figur 2 einen Operationsverstärker 28, dessen invertierender Eingang mit dem
Ausgang über den Integrationskondensator 29 verbunden ist und dessen nicht invertierender
Eingang geerdet ist. Der Integrationskondensator 29 kann in der aus Figur 2 ersichtlichen
Weise durch einen gesteuerten Halbleitergleichrichter 30 abhängig von einem Impuls
auf der Leitung 12 kurzgeschlossen werden. Dieser Kurzschluß bewirkt einen Abfall
und einen Neuanstieg der Kondensatorspannung im Takte der Nulldurchgänge des Lampenstromes.
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Dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 28 des Rampengenerators
13 wird eine von einem Spannungsteiler 31 abgegriffene, einjustierbare konstante
Spannung zugeführt.
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Gemäß einer in Figur 2 durch gestrichelte Linien eingezeichneten Alternative
kann an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 28 über einen Schaltungszweig
32 vom Ausgang des Operationsverstärkers 22 her auch eine Sinusspannung gelegt werden,
so daß anstelle der Zeitintegration in dem integrierenden Rampengenerator 13 eine
Stromintegration verwirklicht wird, worauf oben schon hingewiesen wurde.
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Der Vergleicher 15 enthält wiederum einen Operationsverstärker 33,
dessen nicht invertierender Eingang über die Leitung 14 mit dem Rampengenerator
13 verbunden ist, während der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 33
ein Sollwertsignal aufnimmt, das über die Klemme 15a in der aus Figur 2 ersichtlichen
Weise eingespeist wird.
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Der Steuerimpulsgeber 17 schließlich enthält einen Transistor 34,
dessen Basis von dem über die Leitung 16 zugeführten Ausgangssignal des Vergleichers
15 über einen Vorwiderstand beaufschlagt wird. Die Rollektor-Emitter-Strecke des
Transistors 34 liegt mit der Primärwicklung 35 eines Impulstransformators 36 in
Reihe geschaltet an einer Gleichspannungsquelle an. Die Sekundärwicklung 37 des
Impulstransformators 36 ist mit der Steuerelektrode des TRIAC 8 bzw. der zur Lampenelektrode
3 führenden Nebenschlußleitung verbunden.
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Sobald auf der Leitung 16 ein Ausgangssignal des Vergleichers 15 auftritt,
wird der Transistor 34 leitend geschaltet, so daß die Primärwicklung des Impulstransformators
36 erregt wird und ein den TRIAC 8 leitendschaltender Impuls über die Leitung 9
zu der Steuerelektrode des TRIAC gelangt.
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Solange noch kein Stromfluß durch die Leuchtstofflampe 1 zustandekommt,
wird der Impulstransformator 36 dadurch erregt, daß in rascher Folge Zündimpulse
vom Ausgang des Zündimpulsgenerators 18 über die Leitung 38 an den Eingang des Steuerimpulsgebers
17 geführt werden. Diese Zündimpulse bewirken ebenfalls eine Leitendschaltung des
Transistors 34 und damit eine Erregung der Primärwicklung 35 des Impulstransformators.
Wie oben bereits ausgeführt, wird der Zündimpulsgenerator 18 außer Betrieb gesetzt,
sobald Nulldurchgangsmeldesignale auf der Leitung 12 am Ausgang des Impulsgebers
11 auftreten.
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Der Zündimpulsgenerator enthält wiederum einen Operationsverstärker
39, dessen Eingänge jeweils mit dem Ausgang verbindende Widerstände 40 und 41 und
einen an den invertierenden Eingang angeschlossenen Kondensator 42 zur Bildung einer
Multivibratorschaltung. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers
39 wird über einen Spannungsteiler mit einer konstanten Spannung beaufschlagt. Der
invertierende Eingang ist in der aus Figur 2 ersichtlichen Weise mit der Ausgangsleitung
12 des Impulsgebers 11 verbunden. Das Auftreten von Nulldurchgangsmeldesignalen
auf der Leitung 12 beendet die von dem Zündimpulsgenerator 18 aufgrund des taktweisen
Umschaltens des Operationsverstärkers 39 erzeugte Impulsfolge, so daß keine Zündimpulse
mehr über die Leitung 38 zu dem Steuerimpulsgeber 17 gelangen und dessen Erregung
nunmehr über die Leitung 16 von dem Vergleicher 15 aus vorgenommen wird. Der Kondensatorzweig
43 des Zündimpulsgenerators 18 ist als Haltekreis für den Operationsverstärker 39
wirksam.