DE3327189A1 - Schaltungsanordnung fuer das zuenden und fuer die helligkeitssteuerung von leuchtstofflampen - Google Patents
Schaltungsanordnung fuer das zuenden und fuer die helligkeitssteuerung von leuchtstofflampenInfo
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Description
P 714 ^
Fg/Pa
5 DIEHL GMBH & CO., D-8500 Nürnberg
Schaltungsanordnung für das Zünden und für die Helligkeitssteuerung von
Leuchtstofflampen
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1.
Eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung ist aus der DE-AS 21 41 097 bekannt. Die Steuerschaltung weist dort für die
Serienschaltung der beiden Leuchtstoffröhren-Heizkreise ein Triac auf, das innerhalb einer Jeden Heizperiode aus
dem Phasenschieber gezündet wird. Für den von nun an verbleibenden Teil der Heizperiode wird die Leuchtstoffröhre
gelöscht und werden die Heizkreise in Serie an das Netz geschaltet, bis zum nächsten Nulldurchgang, also bis zum Ende
der laufenden Heizperiode, das Triac wieder verlöscht. Die Leuchtstoffröhre zündet deshalb nun und leuchtet bis
zum Auftreten der Triac-Ansteuerung für die folgende Heizperiode.
Es wird behauptet, daß bei Einsatz einer Grundlast-Phasenschieberschaltung
parallel zum für die Helligkeitssteuerung einstellbaren Phasenschieber jene Steuerschaltung auch
für stabilen Betrieb längerer Leuchtstoffröhren mit geringer Helligkeit geeignet sei. Es hat sich jedoch gezeigt,
daß die modernen stromsparenden dünnen Leuchtstoffröhren (Durchmesser 26 mm gegenüber 38 mm bei für Dimmer-Betrieb
geeigneten Standard-Leuchtstoffröhren) mit einer solchen vorbekannten Steuerschaltung nicht dimmerbar sind.Auch die
üblichen Dimmer-Steuerschaltungen für die Standard-Leucht-
stoffröhren (38 mm Durchmesser) eignen sich nicht zum Einsatz
in Verbindung mit diesen modernen dünnen Leuchtstoffröhren. Letztere werden deshalb von den Herstellern mit dem
ausdrücklichen Hinweis angeboten, für Dimmer-Betrieb (und für Betrieb bei niedrigen Umgebungstemperaturen) nicht geeignet
zu sein; für solche Anwendungsfälle sei weiterhin auf die bisherigen Leuchtstoffröhren mit 38 mm Durchmesser
zurückzugreifen (vgl. OSRAM-Drucksache 866/5 vom April 1982
"Licht für Innen und Außen", dort Seiten 24 und 30). Andererseits besteht auf dem Installationssektor ein großes Interesse
an generellem Einsatz nur noch der modernen dünnen Leuchtstoffröhren, weil sie sparsamer im Verbrauch sind
und weil die Lagerhaitung} gegenüber unterschiedlichen Röhrendurchmessern
für Konstantlichtbetrieb und für Dimmerbetrieb ,wesentlich vereinfacht und verbilligt wäre. Hinzu
kommt die Gewichtsersparnis bei kleineren und mit geringerer Stromaufnahme - also mit kleineren Drosselgewichten arbeitenden
Leuchtstoffröhren, was insbesondere bei Einsatz zur Beleuchtung von Fahrgastkabinen in Flugzeugen von
Interesse ist.
In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung
zum Zünden und Dimmen von Leuchtstofflampen derart auszulegen, daß sie insbesondere auch für den Betrieb der modernen,
dünnen Leuchtstoffröhren geeignet ist, die bisher generell als nicht-dimmbar angesehen werden und darüberhinaus,
zumal bei sehr niedrigen Arbeitstemperatüren,mit den dafür
vertriebenen Startern (Öffnung der Heizkreis-Serienschaltung nach Ablauf einer gewissen Heizzeitspanne ab Zuschalten
der Leuchtstoffröhre ans Speisenetz) nicht immer sicher zündbar sind.
ο ο ο " ό ο ι. ι
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch
gelöst, daß die gattungsgemäße Schaltungsanordnung zusätzlich die Teilmerkmale gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches
1 aufweist.
5
5
Nach dieser Lösung wird der Heizstrom periodisch, nämlich jeweils zum über den Phasenschieber vorgebbaren Zündzeitpunkt,
schlagartig unterbrochen; mit der Folge, daß sich aufgrund der Selbstinduktionswirkung der vorgeschalteten
Drosselspule eine steile und sehr hohe Abschalt-Spannungsspitze zwischen den Heizkreisen aufbaut, die als Zündspannung
zwischen den Leuchtstoffröhren-Zündelektroden wirkt.
Zeitverhalten und Höhe dieser Zündspannungsspitze sind also nicht mehr durch das Zeitverhalten der Netzspannungsperiode
gegeben, sondern durch das schlagartige Abschalten eines kräftigen induktiven Heizstromes. Da der Heizstrom
desto größer ist, je kürzer die Leuchtzeitspanne (also jegeringer
die von der Leuchtstoffröhre abgestrahlte Helligkeit) ist, ergibt sich gerade bei der ansich kritischen Arbeitsweise
mit geringer Helligkeit ein besonders starker Zündspannungs-Impuls, also wieder sicheres Zünden und stabiler
Betrieb der Leuchtstoffröhre. Man kann also sagen, daß
die Schaltung die Impulshöhe ihrer Zündspannung selbsttätig den kritischen Betriebsbedingungen der Leuchtstoffröhre
anpasst. Daraus folgt auch, daß diese Schaltungsanordnung gleichermaßen bei dünnen und bei herkömmlichen Leuchtstoffröhren
anwendbar ist; bei herkömmlichen, leichter zündbaren Leuchtstoffröhren stellt sich ein niedrigerer Zündimpuls
ein, als bei den modernen Röhren mit nur 26 mm Durchmesser.
^G 3327 ;
-A -
Für die Realisierung des Unterbrecherschalters in der Serienschaltung
der Heizkreise ist es besonders zweckmäßig, eine Dioden-Brückenschaltung mit elektronischer Unterbrecher-Schaltstrecke
in der Brückendiagonalen einzusetzen, in der für beide Netzspannungs-Halbwellen stets nur eine Stromflußrichtung
auftritt. Zugleich kann Beschädigungen durch überhöhte Zündspannungs-Spitzen in einfacher Weise dadurch vorgebeugt werden,
daß wenigstens zwei der, bezüglich dieser Schaltstrecke
einander diametral gegenüberliegenden,Brücken-Dioden als Zenerdioden
realisiert sind, deren Zener- oder Durchbruchspannungen
als Spannungsbegrenzung für die Zündspannungs-Spitzen wirken.
Zusätzliche Weiterbildungen und Alternativen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen
und aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche vereinfacht
dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung.
Es zeigt:
Es zeigt:
Fig. 1 im Blockschaltbild die vollständige Schaltungsanordnung für das Zünden und für die Helligkeitssteuerung
insbesondere dünner Leuchtstoffröhren mit einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung,
Fig. 2 ein Realisierungsbeispiel für die Unterbrecher-Schaltstrecke
in der Steuerschaltung gemäß Fig. 1,
Fig. 3 in stark abstrahierter Darstellung die Stromverläufe
in der Aufteilung durch die Leuchtstoffröhre und durch die Steuerschaltung und
7- 3
Fig. 4 entsprechend der Amplituden-Zeit-Darstellung der
Fig. 3 den zeitlichen zugeordneten Verlauf der Spannung über der Leuchtstoffröhre.
Gemäß der Blockschaltbild-Prinzipdarstellung der Fig. 1 wird aus einem Netz 1 eine Leuchtstoffröhre 2 mittels einer Steuerschaltung
3 über einen Netzschalter 4 betrieben. Die Steuerschaltung 3 dient dem Zünden und der Helligkeitssteuerung der
Leuchtstoffröhre 2. Die Zündelektroden 5 der Leuchtstoffröhre 2 sind durch ihre beiden Heizkreise 6 gegeben. Die Steuerschaltung
3 liegt parallel zur Leuchtstoffröhre 2, also parallel zu ihren Zündelektroden 5, am Netz 1; d.h., die Heizkreise
6 werden bei durchgeschalteter Steuerschaltung 3 in Serie aus dem Netz 1 gespeist - während dieser Kurzschluß über
die Zündelektroden 5 bei nicht mehr durchgeschalteter Steuerschaltung 3 aufgehoben ist und sich die Zünd- und Entladungsspannung (Röhrenspannung u2) in der Leuchtstoffröhre 2 aufbauen
kann. Zwischen dem Netz 1 und der Leuchtstoffröhre 2 ist ferner eine Drossel 7 in Serie geschaltet, deren Induktivität
der Heizstrombegrenzung und einer Angleichung der Phasenanschnitt-Kurvenform an die Sinus-Kurvenform der Spannung des
Netzes 1 (zur Reduzierung der Störeinspeisungen aus der Steuerschaltung 3 in das Netz 1) dient; insbesondere aber auch
der Erzeugung einer hohen, impulsartigen Glimmentladungs-Zündspannung
uZ zu mit der Periodizität des Netzes 1 wiederkehrenden Zeitpunkten, die durch einen Phasenschieber 8 einstellbar
sind (wie unten noch näher erläutert wird).
in der Steuerschaltung 3 ist zwischen den Heizkreisen 6 und
damit im Nebenschluß zu den Elektroden 5 der Leuchtstofflampe 2 ein steuerbarer Unterbrecherschalter 9 angeordnet, der
c& 33271 3 J
normalerweise zur Einschaltung der Heizkreise 6 durchgeschaltet ist. Mt der Periodizität des Verlaufes der Netzspannung
u1 wird der Unterbrecherschalter 9 jedoch jeweils für eine
am Phasenschieber 8 einstellbare Leuchtzeitspanne a geöffnet; so daß sich zwischen den aufgeheizten Elektroden 5 die Zündspannung
uZ aufbaut, die mit Einsatz der Glimmentladung (HeI-ligkeitsabstrahlung
von der Leuchtstoffröhre 2) auf die Röhrenspannung u2 zusammenbricht, wie aus der Physik der elektrischen
Glimmentladungen bekannt. Wenn nämlich zum Zündzeitpunkt ta für den Rest der Periode (oder3 gemäß der Fig. 3;der
Halbperiode) gemäß der Phasen-Einstellung am Phasenschieber 8 durch Öffnen des Unterbrecherschalters 9 der Heizstrom i3
über die Heizkreise 6 abrupt unterbrochen wird, fließt aufgrund der Wirkung des großen Induktivitätswertes der Drossel 7
der momentane Netzstrom i1 weiter, nämlich nun zwangsläufig als Röhrenstrom i2 zwischen den Elektroden 5. Aufgrund des
hohen Widerstandes der in diesem Moment noch nicht gezündeten Leuchtstoffröhre 2 entspricht das der sehr steilen, hohen
Ausbildung einer Zündspannung uZ zwischen den während des vorangegangenen Teiles der (Heiz-)Periode aufgeheizten Elektroden
5/6. Diese Konstellation führt zum sicheren Durchzünden der Gasstrecke in der Leuchtstoffröhre 2 und damit zum
Zusammenbrechen der Zündspannung uZ auf die Gasentladungs-Brennspannung
u2 während der Leuchtzeitspanne a; bis also der Unterbrecherschalter 9 wieder geschlossen;und dadurch bis zur
nächsten Zündung die Serienschaltung der Heizkreise 6 unter Kurzschluß der Röhrenspannung u2 (vgl. Fig. 4 in Verbindung
mit Fig. 3) durch den Nebenschluß der Steuerschaltung 3 wieder
kurzgeschlossen,wird.
Der steuerbare Unterbrecherschalter 9 besteht vorzugsweise
im wesentlichen aus einer Dioden-Brückenschaltung 10 mit
O ο .L
elektronischer Unterbrecher-Schaltstrecke 11 in der Brücken-Diagonalen
12 zwischen zwei gegensinnig zusammengeschalteten Dioden-Kathoden 13 einerseits und andererseits zwei gegensinnig
zusammengeschalteten Dioden-Anoden 14. Die Anschlüsse 15 für die Serienschaltung der Heizkreise 6 liegen also zwischen
jeweils zwei gleichsinnig in Serie geschalteten Dioden der Brückenschaltung 10. Dadurch ist sichergestellt, daß in jeder
Halbwelle des Wechselspannungs-Netzes 1 während der Teil-Perioden,
da die Heizkreise gespeist sind, stets identische Stromflußrichtung über die Brücken-Diagonale 12 gegeben ist.
Das erleichtert die Realisierung der Unterbrecher-Schaltstrecke 11 durch Einsatz einfach eines bipolaren oder Feldeffekt-Transistors
16 (vgl. Fig. 2), der potentialfrei - beispielsweise über einen Optokoppler 17 - aus einem üblichen,
mit der Netzspannung u1 gespeisten Phasenschieber 8 periodisch durchsteuerbar ist.
Innerhalb des Unterbrecherschalters 9 der Steuerschaltung 3 kann als elektronisch ansteuerbare Schaltstredse 11 grundsätzlieh
auch auf andere elektronische Bauelemente zurückgegriffen
werden; wie beispielsweise auf eine Antiparallelschaltung von GTO-Tyristoren, die nicht nur durch Fortfall der Anoden-Kathoden-Spannung
erlöschen, sondern auch durch ein Abschalt-Signal an ihr Gate (nämlich im vorliegenden Einsatzfalle zum
Zeitpunkt ta) löschbar sind. Allerdings bedarf es dann zusätzlichen technischen Aufwandes insbesondere für die Wiedereinschaltung
der Heizkreise 6 nach dem nächsten Nulldurchgang des aus dem Netz 1 eingespeisten Stromes i1. Außerdem ist die
in Fig. 1 dargestellte schaltungstechnische Realisierung für den Unterbrecherschalter 9 auch deshalb von besonderem Vorteil,
weil sich durch die Dioden-Brückenschaltung 10 eine besonders einfache Schutzmaßnahme gegen zu hohe Impulse der
Zündspannung uZ realisieren lässt; indem einfach wenigstens
Ά-
zwei bezüglich der Diagonale 12 einander diametral gegenüberliegende
der Dioden als Zenerdioden 18 eingesetzt werden,deren Durchbruchspannung die Höhe der Zündspannung uZ begrenzt.
Entgegen der,im Interesse der Übersichtlichkeit in Fig. 3
vorgesehene^ Leuchtzeitspanne unmittelbar vor Ablauf einer jeden Halbperiode des aus dem Netz 1 bezogenen Eingangssstromes
i1 kann auch vorgesehen sein, die Leuchtzeitspanne a symmetrisch um ein Extremum des Stromes i1 oder symmetrisch
zum jeweiligen Strom-Nulldurchgang zu legen. Stets bestimmt die Zeitspanne, in der kein Strom i3 über den Nebenschluß
in Form der Steuerschaltung 3 fließt, die Leuchtzeitspanne a; und während der verbleibenden Zeitspanne einer jeden Halbperiode
sind die Heizkreise 6 in Serie geschaltet, um die Zünd-Elektroden 5 bis zum nächsten Unterbrechungs- und Zündzeitpunkt
ta wieder aufzuheizen.
Weniger eindeutige Strom-Zeit-Verhältnisse, als in Fig. 3 für die Erläuterung zugrundegelegt, ergeben sich, wenn diese
Einschaltung der Heizkreise 6 über die Steuerschaltung 3 zusätzlich eine Glättungsdrossel 19 aufweist. Diese erbringt
jedoch die vorteilhafte Wirkung, den Eingangsstrom 11 unabhängig vom gerade eingestellten Zündzeitpunkt ta stärker der
Sinus form anzunähern und dadurch, in Abstimmung auf die Induktivität der Drossel 7>
Störeinstreuungen aus der Schalt-Arbeitsweise der Steuerschaltung 3 in das Netz 1 wesentlich
reduzieren zu können.
überraschenderweise hat sich gezeigt, daß diese Schaltungsanordnung
nicht nur für stabilen Dimmer-Betrieb sowohl der herkömmlichen wie auch der modernen (dünnen) Leuchtstoffröhren
geeignet ist, sondern darüberhinaus die Einsatzmöglichkeiten der dünnen Leuchtstoffröhren auch zu wesentlich niedrigeren
Betriebstemperaturen erweitert. Während nämlich nach
Zf1 3327133
-X-
den Hersteller-Datenblättern ein Zünden der dünnen Leuchtstoffröhren
nur bis zu Umgebungstemperaturen von minus 250C garantiert wird und bei tieferen Temperaturen eine angepasste
Wärmeisolation verlangt wird, zünden diese modernen, dünnen Leuchtstoffröhren bei Anwendung der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung ohne irgendwelche zusätzliche Maßnahmen zuverlässig selbst noch bei minus 5O0C Betriebstemperatur.
Das ist von ganz besonderem Interesse beim Einsatz in Beleuchtungsanlagen für Fahrgasträume von Fahrzeugen, die beispielsweise
nachts im Freien abgestellt sind und selbst nach Einwirkung tiefer Nachttemperaturen am nächsten Morgen ohne
Funktionsstörungen einsatzbereit sein sollen.
...10
3-327
Bezugszeichenliste
a Leucht-Zeitspanne (von 2)
i Stromverlauf
u Spannungsverlauf
Z Zündung
ta Zündzeitpunkte
1 Netz (zur Speisung von 2)
2 Leuchtstoffröhre (mit 6-6)
3 Steuerschaltung (für 6-6 und 5/5)
4 Netzschalter (zwischen 1 und 2)
5 Zünd-Elektroden (von 2)
6 Heizkreise (von 2; als 5)
7 Drossel (zwischen 1 und 2)
8 Phasenschieber (in 3)
9 Unterbrecherschalter (parallel zu 2, angesteuert aus 8)
10 Dioden-Brückenschaltung (in 9 für 11)
11 Unterbrecher-Schaltstrecke (zwischen 6-6)
12 Brücken-Diagonale (mit 11 zwischen 13-14)
13 Kathoden-Gegeneinanderschaltung (an 12)
14 Anoden-Gegeneinanderschaltung (an 12)
15 Anschlüsse (von 9/11 nach 6/5)
16 Transistor (in 9 als 11)
17 Optokoppler (zwischen 8 und 9/16)
18 Zenerdioden (in 10 für uZ)
19 Glättungsdrossel (zwischen 6 und 3/9)
Claims (5)
- Ansprüche. Schaltungsanordnung für das Zünden und für die Helligkeitssteuerung von Leuchtstofflampen, insbesondere von dünnen Leuchtstoffröhren (2), deren Zünd-Elektroden(5) durch zwei,in Serie mit einer einstellbaren Phasenschieber-Steuerschaltung (3) und einer vorgeschalteten Drossel (7) liegende,Heizkreise (6) gegeben sind, dadurch gekennzeichnet,daß zwischen den Heizkreisen (6) ein aus einem einstellbaren Phasenschieber (8) periodisch aussteuerbare Unterbrecher Schalter (9) angeordnet ist.
- 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß der Unterbrecherschalter (9) als Dioden-Brückenschaltung (10) aufgebaut ist, bei der in der Brücken-Diagonalen (12) zwischen gegensinnig zusammengeschalteten Dioden-Kathoden (13) und gegensinnig zusammengeschalteten Dioden-Anoden (14) eine elektronisch ansteuerbare Unterbrecher-Schaltstrecke (11) ausgebildet ist. 20
- 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß die Unterbrecher-Schaltstrecke (11) als Transistor(i6) ausgebildet ist, der aus dem Phasenschieber (8) potentialfrei ansteuerbar ist....11
- 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,daß wenigstens zwei bezüglich der Diagonalen-Schaltstrecke (11) einander diametral gegenüberliegende Dioden der Brükkenschaltung (10) als Zenerdioden (18).ausgebildet sind.
- 5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansspräche, dadurch gekennzeichnet,daß mit den Heizkreisen (6) und dem Unterbrecherschalter(9) der Steuerschaltung (3) zusätzlich eine Glättungsdrossel (19) in Serie geschaltet ist.
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