DE3327189A1 - Schaltungsanordnung fuer das zuenden und fuer die helligkeitssteuerung von leuchtstofflampen - Google Patents

Description

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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.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß die gattungsgemäße Schaltungsanordnung zusätzlich die Teilmerkmale gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 aufweist.
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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.

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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:

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

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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

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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

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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

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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

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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.

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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)

1. 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. 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. 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.

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4. 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. 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.