DE3447486A1 - Treiber zum betrieb eines elektrischen verbrauchers sowie mit einem solchen treiber aufgebautes steuergeraet oder steuereinrichtung - Google Patents

Treiber zum betrieb eines elektrischen verbrauchers sowie mit einem solchen treiber aufgebautes steuergeraet oder steuereinrichtung

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Description

PATENTANWÄLTE Q · O 4 4 7 4 5 D
dr. V. SCHMIED-KOWARZIK · dr. P. WEINHOLD · dr. P. BARZ · München dipping. G. DANNENBERG · dr. D. GUDEL- dipl-ing. S. SCHUBERT · Frankfurt
ZUGELASSENEVERTRETER BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT
GROSSE ESCHENHEIMER STR. 39 6OOO FRANKFURTAM MAIN 1
TELEFON: (O61I) 281134 + 287O14 TELEGRAMME: WIRPATENTE TELEX: 413110
24. Dezember 198 4 SS/Ar/Ha
Conservolite, Inc.
McKee & Robb Hill Roads
Oakdale, Pennsylvania 15071 / USA
Treiber zum Betrieb eines elektrischen Verbrauchers
sowie mit einem solchen Treiber aufgebautes Steuergerät oder Steuereinrichtung
Beschreibung;
Die Erfindung betrifft einen Treiber zum Betrieb eines elektrischen Verbrauchers nach dem Oberbegriff des Anspruchs Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Steuergerät mit einem Treiber nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7. Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Steuereinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Allgemein geht es bei der elektrischen Steuereinrichtung, insbesondere der elektrischen Steuereinrichtung mit einem Treiber, darum, wiederholt Betriebsspannung an einen Verbraucher anzuschalten und abzuschalten, um die von dem Verbraucher aufgenommene Energie herabzusetzen oder seine Ausgangsgröße zu steuern.
Die Erfindung kann für eine große Vielzahl unterschiedlicher Arten elektrischer Verbraucher eingesetzt werden. Bevorzugt bezieht sich die nachfolgende Erörterung der Erfindung und des Standes der Technik auf die Steuerung von Fluoreszenz-Lampen und Fluoreszenz-Lampenanlagen, jedoch soll die Erfindung nicht auf diese spezielle Anwendung beschränkt sein.
Es ist bekannt, daß eine Gasentladungslampe mit dem daran angeschlossenen (elektrischen) Baiast zu den schwierigsten elektrischen Verbrauchern gehören, die gesteuert und geregelt werden sollen. Der Ausdruck "Gasentladungslampe" umfaßt dabei eine Fluoreszenzlampe mit oder ohne getrennte Heizeinrichtung, eine Entladungslampe hoher Lichtintensität und jede Lampe, die durch eine negative Widerstandskennlinie gekennzeichnet ist. Eine solche Lampe erfordert einen Baiastschaltkreis, um stabile Betriebsbedingungen zu schaffen, wenn sie mit
einer üblichen WechselSpannungsquelle betrieben wird. Der Baiast ist auch dazu vorgesehen, eine zusätzliche Zündspannung zum Starten der Lampe sowie in einigen Fällen die Leistung für eine interne Lampen-Kathodenbeheizung zu bilden. Solche Gasentladungslampen und die damit verbundenen Probleme sind in dem US-Patent 4 352 045 Spalte 1 Zeile 22 bis Spalte 2 Zeile 9 erörtert.
Es ist ein seit lange bestehendes Ziel, eine Steuereinrichtung zum Abdunkeln (Dimmen) von Gasentladungslampenanordnungen zu schaffen, um deren Energieaufnahme sowie die damit verbundenen Betriebskosten der Lampen herabzusetzen. Im allgemeinen ist ein Abdunkeln angebracht, wenn die Standard-Lichtabgabe der Lampen wegen der Umgebungsbedingungen und der gewünschten Helligkeit nicht benötigt wird.
Bisherige Schaltungsentwürfe zur Steuerung von Gasentladungslampen, beispielsweise nach den US-Patenten 4 350 935 und 4 352 045, sind Schaltkreise, welche die Betriebsspannung von dem Verbraucher während eines Teils jeder Periode des Versorgungs-Wechselstroms abschalten und anschließend die Betriebsspannung wieder an den Verbraucher anlegen, um im Ergebnis einen Teil der Betriebsspannung von dem Verbraucher während jeder Halbwelle der Versorgungsspannung zu unterdrücken. Die schnelle Potentialänderung, die auf dem Abschalten der Versorgungsspannung von dem Verbraucher beruht, verursacht eine Gegensteuerwirkung, die gegen-elektromotorische Kraft, kurz EMK, genannt wird. Die Zeit, während der solche üblichen Schaltkreise die Betriebsspannung wieder an den Verbraucher während jeder Halbperiode der Versorgungsspannung anlegen, hängt nicht von dem elektrischen Potentialunterschied zwischen dem Verbraucher entsprechend der Gegen-EMK, und der Versorgungsspannung ab. Deswegen führen übliche
Schaltkreise fast immer dem Verbraucher Betriebsspannung zu, wenn ein elektrischer Potentialunterschied zwischen der Versorgungsspannung und der Last besteht, was eine äußerst große und schädliche'Spannungsänderung zu demjenigen Zeitpunkt bewirkt, bei dem die Betriebsspannung wieder an den Verbraucher angelegt wird. Die Spannungsänderung kann unmittelbare Zerstörung oder verkürzte Lebensdauer der Steuerbauelemente bewirken und kann ein lästiges hörbares Geräusch verursachen.
Ein anderes Problem besteht darin, daß die sehr .schnellen Schaltzeiten, die in vielen bekannten Schaltkreisen im Verhältnis zu der 50 - 60 Hz-Spannung an dem Baiast erzeugt werden, eine verkürzte Baiastlebensdauer verursachen können. Außerdem verursacht das Abschalten und Anschalten der Betriebsspannung von dem Verbraucher bzw. an den Verbraucher vor dem 90°-Punkt jeder Halbwelle der Versorgungsspannung hohe Spitzenwerte und sehr schnelle Spannungsänderungen, welche den Baiast und die Lampe beanspruchen. Verstärkte Geräusche rühren von beträchtlichen Schwingungen der Spannung während jeder Halbwelle her, was Mehrfach-Harmonische innerhalb des hörbaren Bereichs verursacht. Das Schalten vor dem 90°-Punkt in jeder Halbwelle der Versorungsspannung verursacht das weitere Problem, daß keine genügende Spannungsamplitude zum Zünden der Lampen an den Verbraucher gelegt werden kann, was dazu führen kann, daß einige Lampen vollständig erlöschen.
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Treiber für eine Steuereinrichtung eines Verbrauchers zu Schaffen, der keine schädlichen Spannungsänderungen an dem Verbraucher oder den Steuerelementen erzeugt. Weiterhin sollen ein Treiber und eine Steuereinrichtung für einen
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Verbraucher mit einer induktiven Komponente geschaffen werden mit der Maßgabe, daß keine hohen Spannungsänderungen erzeugt werden, wenn die Betriebsspannung an den Verbraucher angelegt oder von diesem getrennt wird.
Diese Aufgabe wird von dem Treiber nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs genannten Merkmalen gelöst.
Der erfindungsgemäße Treiber sowie die Steuereinrichtung, in der ein solcher Treiber vorhanden ist, werden zum Steuern elektrischer Verbraucher einschließlich solcher, die einen induktiven Verbraucher für die Steuereinrichtung bilden, eingesetzt. Der erfindungsgemäße Treiber umfaßt nicht nur eine erste elektronische Schalteinrichtung, die in Wirkverbindung mit der Last steht und die einen ersten Betriebszustand hat, in der die Versorgungsspannung an den Verbraucher gelegt wird und einen zweiten Betriebszustand annehmen kann, bei dem die Versorgungsspannung nicht an den Verbraucher angelegt wird. Vielmehr ist hier eine zweite elektronische Schalteinrichtung vorgesehen, die mit der ersten elektronischen Schalteinrichtung wirkungsmäßig verbunden ist und die Änderung der ersten elektronischen Schalteinrichtung zwischen deren ersten und zweiten Zustand steuert. Hierzu ist die zweite elektronische Steuereinrichtung selbst zwischen einem ersten Zustand- und einem zweiten Zustand umschaltbar. In dem ersten Zustand der zweiten Steuereinrichtung befindet sich die erste Steuereinrichtung in ihrem ersten Zustand und in dem zweiten Zustand der zweiten Schalteinrichtung ist die erste Schalteinrichtung in ihrem zweiten Zustand. Demgemäß ruft das Umschalten der zweiten Schalteinrichtung von ihrem ersten Zustand in ihren zweiten Zustand ein Umschalten der ersten
Schalteinrichtung in ihrem zweiten Betriebszustand von ihrem ersten Betriebszustand ausgehend hervor. In der Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung wird die zweite Schalteinrichtung in ihren zweiten Zustand durch ein Befehlssignal umgeschaltet. Der Treiber bewirkt, daß die zweite Schalteinrichtung in ihrem zweiten Zustand verharrt, bis ein bestimmter Schaltkreisbetriebszustand zwischen der Spannungsversorgung bzw. Stromquelle und dem Verbraucher vorliegt.
Ausgestaltungen des Treibers gehen aus den Unteransprüchen 2-6 hervor. Weiterbildungen des Steuergeräts mit dem Treiber sind in den Ansprüchen 8-10 enthalten. Weitere Ausgestaltungen der elektrischen Steuereinrichtung umfassen die Ansprüche 12 - 17. Anspruch 18 beinhaltet eine Kombiantion der Steuereinrichtung mit einem bestimmten Verbraucher.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der bevorzugten Steuereinrichtung nach der vorliegenden Erfindung, die einen erfindungsgemäßen Treiber umfaßt;
Fig. 2A ein vereinfachtes Schaltbild der bevorzugten Ausführungsform des Treibers nach der vorliegenden Erfindung und Figuren 2B bis 2G Wellenformen an verschiedenen Prüfpunkten des Treibers;
Fig. 3 ein vereinfachtes Schaltbild einer anderen Ausführungsform des Treibers nach der vorliegenden Erfindung, die zur Verwendung mit einem verhältnismäßig wenig induktiven Verbraucher, wie zwei Gasentladungslampen, vorgesehen ist;
Fig. 4 ein vereinfachtes Schaltbild einer anderen Ausführungsform des Treibers nach der vorliegenden Erfindung zur Verwendung mit ungefähr zwei bis acht Gasentladungslampen oder einem entsprechenden induktiven Verbraucher;
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform des Treibers nach der vorliegenden Erfindung zur Verwendung mit mehr als acht Gasentladungslampen oder einem entsprechenden induktiven Verbraucher und
Fig. 6 ein vereinfachtes Schaltbild einer weiteren Ausführungsform des Treibers nach der vorliegenden Erfindung, der ein manuelles Abdunkeln der Gasentladungslampen gestattet.
Im folgenden wird an Hand der Figuren 2A bis 2G ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Treibers nach der vorliegenden Erfindung im einzelnen beschrieben. Es sei vorausgeschickt, daß die Größen der einzelnen Bauelemente, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, in Abhängigkeit von unterschiedlichen Anwendungen und Erfordernissen im Rahmen der Erfindung abgewandelt werden können. Die Treiber werden hier so beschrieben wie sie mit einer Steuereinrichtung verwendet werden, welche den Betrieb einer oder mehrerer Gasentladungslampen steuert. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Treiber können aber auch mit anderen Einrichtungen verwendet werden, welche den Betrieb beliebiger, auch nicht induktiver Verbraucher steuern.
Der in Fig. 2A dargestellte Treiber 11 kann so betrachtet werden, daß er zwei Betriebsarten hat, Betriebsart A und Betriebsart B. Der Treiber 11 umfaßt eine erste elektronische Schalteinrichtung, die allgemein mit 51 bezeichnet ist, eine zweite elektronische Schalteinrichtung 53, einen Zweiwegbruckengleichrichter mit Kondensator, der allgemein mit 55 bezeichnet ist, sowie einen Nulldurchgangszweig 54. Zur ersten Erläuterung der Wirkungsweise des Treibers 11 wird von der Betriebsart A oder der ersten Betriebsart ausgegangen, bei der die Betriebsspannung von der Wechselstromquelle 56 an den Verbraucher gelegt wird. In der zweiten Betriebsart oder Betriebsart B ist die Betriebsspannungsquelle 56 von dem Verbraucher L getrennt, aber eine Steuerspannung ist noch an den Steuerteilen des Steuerschaltkreises über den Zweiwegbruckengleichrichter angelegt.
Der Treiber ist elektrisch mit dem Verbraucher L, einer Gasentladungslampe, durch Leitungen 500 und 501 verbunden. Eine Seite, die Rückleitung der Wechselstromquelle 56,
ist mit dem Verbraucher L über die Leitung 501 verbunden, und die verbleibende Seite der Wechselstromquelle 56 steht mit dem Zweiwegbruckengleichrichter 55 über eine Leitung 502 in Verbindung. Die Wechselstromquelle 56 liefert eine Wechselbetriebsspannung an den Verbraucher L während.der Betriebsart A und gibt eine Steuerenergie an die Steuerelemente des Treibers 11 während beiden Betriebsarten A und B über die Brücke 55 ab. Ein Widerstand R5 ist in seiner Verbindung mit dem Verbraucher L über eine Leitung 500 und mit dem Zweiwegbruckengleichrichter 55 über eine Leitung 503 dargestellt. Der Widerstand R5 ist in Fig. 2A nur zu Meßzwecken vorgesehen, siehe die diesbezügliche Messung in Fig. 2D, und kann für einen serienmäßigen Treiber weggelassen werden.
Der Zweiwegbruckengleichrichter 55 hat vier Dioden Dl, D2, D3 und D4, die miteinander zu der Zweiwegbrückenschaltung verbunden sind. Der Zweiwegbruckengleichrichter 55 wird von der Wechselstromquelle 56 mit Wechselspannung versorgt und erzeugt eine gleichgerichtete Steuerspannung für den Steuerteil des Treibers 11 sowie eine Betriebsspannung, welche dem Verbraucher L über Leitungen 504 und 505 zugeführt wird. Ein Kondensator Cl ist über eine Leitung 506 an einen Punkt 400 des Zweiwegbruckengleichrichters 55 angeschlossen und über eine Leitung 507 an einen Widerstand R4. Die verbleibende Seite des Widerstands R4 ist über eine Leitung 508 mit einem Punkt 401 des Zweiwegbruckengleichrichters 55 verbunden. Der Kondensator Cl nimmt die durch die Gegen-EMK in dem Verbraucher L erzeugte Leistung auf, wenn der Treiber 11 von der Betriebsart A in die Betriebsart B schaltet. Der Widerstand R4 ist in Figur 2A nur dazu eingeschlossen, eine Testmessung, die in Fig. 2C gezeigt ist, zu ermöglichen und
- y- 0
kann in einem serienmäßigen Treiber weggelassen werden.
Der Nulldurchgangszweig .54, die .Schalteinrichtung 53, die Schalteinrichtung 51 und ein Widerstand Rl stellen den Steuerteil des Treibers 11 dar. Der Widerstand Rl ist über eine Leitung 504 an einen Ausgang 403 des Zweiwegbrückengleichrichters 55 angeschlossen und über eine Leitung 509 an die Schalteinrichtungen 51 und 53. Die Leitung 504 verbindet auch den Widerstand Rl mit dem Nulldurchgangszweig 54. Die Widerstandsgröße des Widerstands Rl beeinflußt die Spannungshöhe, welche den Treiber 11 von der Betriebsart A in die Betriebsart B schaltet. Je höher der Widerstandswert des Widerstands Rl ist, um so höher ist die Spannung, bei der ein Schaltvorgang eintritt, und um so niedriger ist der Phasenwinkel, bei dem der Treiber 11 '.zurück in die Betriebsart A schaltet.
Die Schalteinrichtung 51 umfaßt einen Transistor Sl. Wenn der Transistor S 1 leitet, ist die Schalteinrichtung 51 geschlossen,und die Betriebsspannung wird an den Verbraucher L über den Transistor Sl und den Zweiwegbrückengleichrichter 55 angelegt. Wenn der Transistor Sl nicht leitet oder gesperrt ist, so ist die Schalteinrichtung 51 offen, und keine Betriebsspannung wird von der Wechselstromquelle 56 an den Verbraucher L gelegt. Der Kollektor des Transistors Sl ist an eine Leitung 504 angeschlossen,und der Emitter des Transistors Sl ist mit einer Leitung 505 und dem negativen Punkt des Zweiwegbruckengleichrxchters über einen Widerstand R2 verbunden. Der Widerstand R2 wird nur zur Erfassung des Stroms verwendet, wenn dies vorgesehen ist.
Die Basis des Transistors Sl ist an die Quelle eines Feldeffekt-Transistors, abgekürzt FET, S2 angeschlossen. Die Quelle des FET S2 und die Basis des Transistors Sl sind über einen Widerstand R3 mit der Leitung 505 verbunden. Der Widerstand R3 verbessert den Sperrzustand des Tran-
sistors Sl. Das Tor des FET S2 ist an eine Leitung 509 angeschlossen. Der Ableiter (drain) des FET S2 steht über eine Leitung 510 mit einer Gleichstromquelle 56 in Verbindung. Die durch die Gleichstromquelle 56 erzeugte Spannung muss genügend hoch sein, um den Transistor S2 in seinen leitenden oder Sättigungszustand zu steuern, wenn sie an die Basis des Transistors S2 angelegt ist. Demgemäß wird, wenn die Spannung von dem Tor zu der Quelle des FET S2 hoch genug ist, um den FET S2 in den Leitenden Zustand zu bringen, was während der Betriebsart A geschieht, die von der Gleichstromquelle 56 erzeugte Spannung an die Basis des Transistors S2 gelegt, und der Transistor S2 tritt in seinen leitenden Zustand ein, um den Verbraucher L mit der Betriebsspannung von der Wechselstromquelle zu beaufschlagen. Wenn die Spannung von dem Tor zu der Quelle des FET S2 nicht genügend hoch ist, um den FET S2 in seinen leitenden Zustand zu steuern, was während der Betriebsart B geschieht, so ist die Basis des Transistors S2 von der Gleichstromquelle 57 abgeschaltet, und der Transistor S2 cjelangt in seinen nicht leitenden Zustand, der die Zufuhr der Betriebsspannung von der Wechselstromquelle 56 zu dem Verbraucher L unterbricht.
Die Anode eines gesteuerten Siliciumgleichrichters oder SCR S3 der Schalteinrichtung 53 ist an die Leitung 509 angeschlossen. Die Kathode des SCR S3 steht mit dem negativen Ausgang 505 des Zweiwegbrückengleichrichters 55 über einen Widerstand R6 in Verbindung. Der Widerstand R6 wird zur Erzeugung einer Vorspannung an dem SCR S3 verwendet, die diesen in dem nicht leitenden Zustand steuert. Das Tor des SCR S3 steht mit der auf hohem Potential liegenden Seite des Widerstands R6 und einer Leitung 511 in Verbindung. Die Leitung 511 führt das Befehls-
signal von einem Steuerschaltkreis, welches den SCR S3 zündet und in den leitenden Zustand bringt. Eine Zenerdiode Zl überbrückt die Leitungen 509 und 505 zum Schutz des SCR S3 und des FET S2.
Wenn das Tor des SCR S3 ein bestimmtes Befehlssignal, gewöhnlich einen Impuls,auf der Leitung 511 erhält, beginnt der SCR S3 zu leiten, was wiederum die Spannung zwischen dem Tor und der Quelle des FET S2 auf eine Höhe herabsetzt, die nicht mehr ausreicht, um den FET S2 in den leitenden Zustand zu bringen. Dies bewirkt, wie oben beschrieben, daß die Schalteinrichtung 51 in ihren zweiten Zustand eintritt, in dem sie nicht leitet.
Wenn demgemäß der SCR S3 nicht leitet, leiten sowohl der FET S2 und der Transistor Sl,und deswegen leitet die Schalteinrichtung 51, wobei die Betriebsspannung von der Wechselstromquelle 56 über den Zweiwegbrückengleichrichter 55 an den Verbraucher L anliegt, und der Transistor Sl und der Treiber 11 befinden sich in ihrer Betriebsart A. Wenn das Tor des SCR S3 einen Befehlssignalimpuls auf der Leitung 511 empfängt, beginnt der SCR S3 zu leiten und schaltet daher die Schalteinrichtung 53 ein, die Schalteinrichtung 51 aus, wobei die Betriebsspannung an dem Verbraucher L von der Wechselstromquelle 56 abgeschaltet wird und sich der Treiber 11 in seiner Betriebsart B befindet. Sobald der Treiber 11 in seine Betriebsart B eintritt, beginnt der Gleichrichter Cl;die von dem Verbraucher L erzeugte Gegen-EMK aufzunehmen. Wenn die Potentialdifferenz zwischen dem Verbraucher L auf Grund der Gegen-EMK und der Wechselstromquelle eine Höhe erreicht, die nicht ausreicht, um einen Strom durch den SCR S3 zum Aufrechterhalten des leitenden Zustands fließen
zu lassen, schaltet der SCR S3 ab, die Schalteinrichtung 53 schaltet ab, die Schalteinrichtung 51 schaltet sich selbsttätig ein, die gesamte Betriebsspannung wird wieder an den Verbraucher L gelegt, und der Treiber 11 tritt wieder in die Betriebsart A ein. Die Höhe der Potentialdifferenz zwischen der Wechselstromquelle und der Spannung über dem Verbraucher L, welche den SCR S3 aus dem leitenden Zustand bringt, muß niedrig genug sein, um schädliche Stromänderungen zu vermeiden, wenn die Betriebsspannung wieder an den Verbraucher L angelegt wird, weil der Treiber 11 von der Betriebsart B in die Betriebsart A schaltet. Der Nulldurchgangszweig 54 sorgt dafür, daß Versorgungsspannung nur zu Beginn der ersten Halbwelle den Treiber 11 beaufschlagt.
Figur 1 stellt ein Blockschaltbild einer bevorzugten Steuereinrichtung 10 dar, in der der bevorzugte Treiber 11 Verwendung findet, um eine oder mehrere Gasentladungslampen zu steuern. Die Steuereinrichtung 10 veranlaßt den Treiber 11, um die Wechselstromquelle 13 wiederholt an den Verbraucher L an- und abzuschalten. Die Zeitdauer, während der die Wechselstromquelle 13 von dem Verbraucher L während jeder Periode der von der Wechselstromquelle 13 abgegebenen Spannung abgeschaltet ist, bestimmt, in welchem Maße die Lampenabdunkelung erfolgt und welche Energieerspanis demgemäß erzielt wird. Je länger die Wechsel stromquelle von dem Verbraucher L abgeschaltet ist, um so weniger Licht wird von dem Verbraucher L erzeugt und um so größer ist die bewirkte Energieersparnis. In der bevorzugten Ausführungsform wird die Wechselspannung immer während der positiven oder negativen Spannungsspitze jeder Halbperiode an den Verbraucher L gelegt, um sicherzustellen, daß die Zündspannung immer die Lampen des Verbrauchers L beaufschlagt. Demgemäß legt die Steuerein-
richtung 10 eine sinusförmige Spannung mit Lücken oder Ausschnitten an den Verbraucher L, welch letztere erzeugt werden, wenn die Steuereinrichtung die Wechselstromquelle von dem Verbraucher L trennt. Je größer die Breite der Lücke während jeder Periode der Wechselspannung ist, um so geringer ist die Lichtabstrahlung und um so größere Energieersparnis wird erzielt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Wechselstromquelle zu Anfang in einer Halbperiode ausgeschaltet, d.h. wenn zum erstenmal der Treiber 11 von der Betriebsart A in die Betriebsart B während einer Halbperiode schaltet, über den 90° Phasenwinkel hinaus,um zu gewährleisten, daß die richtige Zündspannung während jeder Halbperiode an den Verbraucher L angeschaltet wird.
Aus der obigen Erörterung des Treibers 11 ergibt sich, daß der Winkel, bei dem der Treiber 11 von der Betriebsart B in die Betriebsart A schaltet, von dem Winkel bestimmt wird, bei dem die Potentialdifferenz zwischen dem Verbraucher L entsprechend der Gegen-EMK, und der Wechselstromquelle auf eine vorbestimmte Höhe herabgesetzt ist. Deswegen wird die Breite der Lücke, die in dem Versorgungswechselstrom erzeugt wird, von dem Winkel bestimmt, bei dem der Treiber 11 zunächst von der Betriebsart A in die Betriebsart B während jeder Halbperiode schaltet. Die Steuereinrichtung 10 und die Eingaben in diese, welche die gewünschten Lichtausbeuten des Verbrauchers L bestimmen, müssen geeicht werden, um die gewünschte Beleuchtung zu erzielen.
Der elektrischer Verbraucher L, der wenigstens eine Gasentladungslampe umfaßt, steht über eine Leitung 15 und den Treiber 11, eine Leitung 17 und einen Nulldurchgangs-
zweig 18 sowie eine Leitung 20 mit einer Stromversorgungsquelle 13 in Verbindung. Die Leitung 15 ist die Rückleitung und eine Leitung 25 ist die Hauptversorgungsleitung. Die Stromversorgungsquelle 13 kann beispielsweise nach der Transformatorbauart oder der Bauart einer kapazitiven Ladungspumpe realisiert sein. Durch die Stromversorgungsquelle 13 wird eine Gleichspannung B auf einer Leitung 19 dem Steuerkreis 21 und zu dem Treiber 11 über den Steuerschaltkreis 21 zugeführt. Die Spannung B kann von der in Fig.. 2A gezeigten Gleichstromquelle 57 geliefert werden. Der Steuerschaltkreis 21 wird auch mit einer Wechselsynchronisationsspannung auf der Leitung 23 beaufschlagt, die synchron zu der Wechselbetriebsspannung auf den Eingangsleitungen 25 und 15 der Stromversorgungsquelle 13 verläuft. Ein angemessenes Erdungssystem wird durch eine Leitung 27 verwirklicht. Eine EMS Schnittstellensteuerung kann Befehle liefern, die zu der gewünschten Lichtausgangsleitung des Verbrauchers L zugeordnet sind. Diese Befehle verlaufen entlang einer Leitung 28 zu dem Steuerschaltkreis 21. Statt dessen kann eine unmittelbare Lichteingabe, welche die gewünschte Lichtabgabe des Verbrauchers L darstellt, in eine lichtempfindliche Einrichtung eingespeist werden. Dies ist durch eine unterbrochene Linie 33 angezeigt, welche die Lichtbefehle in elektrische Befehlssignale umwandelt.
Der Steuerschaltkreis 21 ist ein Phasensteuerschaltkreis, der den Treiber 11 mit einem Steuersignal beaufschlagt. Der Steuerschaltkreis 21 empfängt das Wechselstromsynchronisationssignal auf der Leitung 23 und verwendet es, um ein Sägezahnsignal zu erzeugen, dessen Frequenz doppelt so hoch wie diejenige des Wechselstromsynchronisationssignals auf der Leitung 23 ist. Der Steuerschaltkreis vergleicht das Sägezahnsignal mit dem externen Steuer-
signal, das bei 29 oder 37 eingespeist, wird, wie im folgenden erklärt wird, um ein Befehls- oder Steuersignal über eine Leitung 31 an den Treiber 11 abzugeben. Das Befehlssignal, mit dem der Treiber 11 auf der Leitung 31 beaufschlagt wird, stellt eine Spannungsphasenverzögerung dar, d.h. den Winkel, bei dem der Treiber 11 zunächst von der Betriebsart A in die Betriebsart B in jeder Halbwelle schaltet. Eine Spannungsphasenverzögerung von 90° stellt die bevorzugte maximale Herabsetzung der Spannung an dem Verbraucher L dar, während eine Vergrößerung der Phasenverzögerung bis um 180° zum Beispiel ein Minimum der Spannungsherabsetzung bedeutet.
Die EMS Schnittstellensteuerung ist eine Einrichtung zur Energieverteilung, welche die Lichtsteuerung für mehr als eine Steuereinrichtung 10 koordiniert.
Das externe Steuersignal, das auf der Leitung 29 vorgesehen ist, wird in eine analoge Gleichspannung umgesetzt, welche den Steuerschaltkreis 21 in die gewünschte Phasenwinkelverzögerung umsetzt. Im Falle einer Spannungsphasenverzögerung von 90 wäre die Gleichspannungshöhe gleich der Hälfte der Spitzenspannung des Sägezahnsignals des Steuerschaltkreises 21. Der Steuerschaltkreis 21 vergleicht das Befehlssignal auf einer Leitung 38 mit dem Sägezahnsignal. Jedesmal·, wenn das Sägezahnsignal das Befehlssignal überschreitet, liefert der Steuerschaltkreis 21 einen Impuls an den Treiber 11, der den Treiber zum Abschalten der Wechselstromversorgungsquelle 13 von dem Verbraucher L veranlaßt. Je höher der Betrag des Befehlssignals auf der Leitung 38 ist, um so schmaler ist die in jeder Periode der Betriebsspannung erzeugte Lücke, mit der der Verbraucher L beaufschlagt wird und
um.so größer ist die von dem Verbraucher L erzeugte Helligkeit.
Der Nulldurchgangszweig 18 ist konventionell aufgebaut und sorgt dafür, daß beim Start die Stromversorgung an dem Treiber zu Beginn einer Halbwelle und das Abschalten des Treibers am Ende einer Halbwelle erfolgt. Wenn zu dem Treiber 11 bereits ein integrierter Nulldurchgangszweig gehört, beispielsweise der Schaltkreis 54 in Fig. 2A, so ist der Nulldurchgangszweig 18 nicht erforderlich.
Die Figuren 2B bis 2G zeigen im einzelnen Strom- und Spannungswellenformen für die beiden Betriebsarten des Treibers 11. Mit den durchgezogenen Linien ist in jenen Figuren folgendes dargestellt: Fig. 2B zeigt den durch
2P den Widerstand R2 fließenden Strom; Fig. 2C zeigt den Strom, der durch den Widerstand R4 fließt; Fig. 2D zeigt den durch den Widerstand R5 fließenden Strom, und Fig. 2E zeigt den Strom, der durch den Widerstand Rl fließt. Die in unterbrochenen Linien dargestellten Wellenformen zeigen in den Figuren sB bis 2E die Spannung, die über den Verbraucher auftritt. Die durchgezogene Linie, die in Fig. 2F gezeigt ist, stellt die über den SCR S3 in Betriebsart B zum Abschalten bei 90 dar; die unterbrochene Linie in Fig. 2F stellt die Spannung über den Verbraucher in den Betriebsart B zum Abschalten bei 90 dar; die gepunktete Linie in Fig. 2F stellt hundertprozentiges Einschalten oder fortlaufende Betriebsart A dar.
Fig. 2G zeigt die an dem Verbraucher L angelegte Spannung und zeigt die Lücken, die in der Wechselstromversorgungsspannung für 30%, 50% und 75% Beaufschlagung durch die Wechselstromversorgungsspannung vorgesehen sind. Die
unterbrochene Linie in Fig. 2G zeigt eine Beaufschlagung mit 100% Wechselstromversorgungsspannung.
Andere Ausführungsformen des Reglers nach der vorliegenden Erfindung sind in den Figuren 3, 4, 5 und 6 gezeigt. Auch dort können die Größen verschiedener Bauteile, die in diesen Ausführungsformen vorgesehen sind, abgeändert werden, um unterschiedlichen Anwendungen und Erfordernissen zu genügen.
In jeder abgeänderten Ausführungsformen, die in den Figuren 3,4, 5 und 6 dargestellt sind, ist der Verbraucher L als induktiver Verbraucher gezeigt, zu dem ein Kondensator in Reihe zu einer Wechselstromquelle liegt. Jedoch kann der Regler auch mit einem Ohmschen Verbraucher durch Entfernen des Kondensators verwendet werden. Die Betriebsweise und Funktion jedes der in den Fig. 3-6 dargestellten Treibers ist mit denjenigen des Treibers 11 mit den nachfolgenden Ausnahmen identisch. Fig. 3 zeigt einen Treiber 110 mit einem ersten Schalter, FET 151, der durch einen zweiten Schalter 153 betätigt wird. (Dem ersten und dem zweiten Schalter entsprechen in der vorangehenden Beschreibung die erste und die zweite Schalteinrichtung. ) Da der Treiber 110 zur Verwendung mit einer Steuereinrichtung entworfen ist, die höchstens zwei Lampen steuert, kann der FET 151 den verhältnismäßig geringen Strom steuern, der den Verbraucher L beaufschlagen muß. Dementsprechend wird der in Fig. 1 mit Ss bezeichnete Transistor nicht benötigt. Weiterhin stellt der Treiber 110 andere Mittel zum Einschalten des Schalters 153 dar. Der Schalter 153 ist ein Photo-SCR, der auf direkten Lichteinfall anspricht, wie bei dem Bezugszeichen 155 in Fig. 3 dargestellt. Weiterhin benötigt
der Treiber 110 keine getrennte Gleichstromversorgungf und liegt in Reihe zu dem Vertraucher L.
Fig. 4 zeigt einen Treiber 210, der zur Verwendung mit einer Steuereinrichtung entworfen ist, welche den Betrieb von etwa 2 bis 8 Lampen steuert. Der Treiber 210 umfaßt eine erste Schalteinrichtung 251 und eine zweite Schalteinrichtung 253. Die Schalteinrichtung 251 benötigt einen Transistor Ql, um die Schalteinrichtung in die Lage zu versetzen, den höheren Strom zu steuern, der an den Verbraucher mit 2 bis 8 Lampen geliefert werden muß. Die Schalteinrichtung 253 ist wiederum ein Photo-SCR, der mit Licht beaufschlagt und gesteuert wird.
Fig. 5 zeigt einen Treiber 310, der zur Verwendung in einer Steuereinrichtung entwickelt ist, welche den Betrieb von mehr als 8 Lampen steuert. Ein Widerstand Rl muß vorgesehen werden, um saubere Schaltvorgänge des Transistors Ql trotz der erhöhten Stromaufnahme des Verbrauchers L zu gewährleisten.
Fig. 6 zeigt einen Treiber 610, der dem Treiber 110 ähnelt. Jedoch umfaßt der Treiber 610 ein Potentiometer 612, welches eine unmittelbare manuelle Einstellung der Lichtstärke und Energieersparnis gestattet.
Keiner der in den Figuren 3 bis 6 gezeigten Treiber benötigt eine externe Gleichstromquelle. Weiterhin sind diese Treiber in Reihe mit der Rückleitung oder Hauptversorgungsleitung der Wechselstromversorgungsquelle 13 verdrahtet und benötigen nicht die Zuführung beider Wechselstromleitungen. Deswegen kann jeder der Treiber 110, 210, 310 und 610 in einer Steuereinrichtung verwen-
det werden, die der Steuereinrichtung 10 gleich ist, wobei jedoch die B -Leitung entfällt.
Es sind also eine Steuereinrichtung und ein Treiber zur Verwendung mit elektrischen Verbrauchern beschrieben worden, insbesondere Verbraucher, die für die Stromversorgungsquelle als Induktivität wirken. Der erfindungsgemäße Treiber steuert und verwendet die durch den induktiven Verbraucher erzeugte Gegen-EMK, wenn die Betriebsspannung von dem Verbraucher getrennt wird, als Rückführsignal um zu bestimmen, wann die Betriebsspannung wieder an den Verbraucher angeschaltet werden soll.
Im folgenden sind Dimensionsangaben von Bauelementen angegeben, welche bevorzugte Bauelemente für den in Fig. 2A dargestellten Treiber 11 sind:
Cl = 60 μΡ
51 = MJ 10025
52 = VN67AF
S3 = MCR 101
Zl = 10 Volt
Rl = 10 kOhm
R2 = weniger als 1 Ohm
R3 = 1 kOhm
R6 = 6,2 kOhm
R4 und R5 werden nur zu Prüfzwecken benutzt.

Claims (18)

Patentansprüche
1.J Treiber zum Betrieb eines elektrischen Verbrauchers mit einer Versorgungsspannung, der eine erste elektronische Schaltexneinrichtung aufweist, die mit dem Verbraucher in Wirkverbindung steht und in einem ersten Betriebszustand den Verbraucher mit der Versorgungsspannung beaufschlagt oder in einem zweiten Betriebszustand die Versorgungsspannung von dem Verbraucher abschaltet, dadurch gekennzeichnet,
■15 daß eine zweite elektronische Schalteinrichtung(53, 153, 253) mit der ersten elektronischen Schalteinrichtung (51, 151, 251) in Wirkverbindung steht, um den Übergang der ersten elektronischen Schalteinrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszustand zu steuern, daß die zweite elektronische Schalteinrichtung wahlweise zwischen einem ersten Zustand, in dem die erste Schalteinrichtung in ihrem ersten Betriebszustand ist, und einem zweiten Zustand, in dem die erste elektronische Schalteinrichtung ihren zweiten Betriebszustand annimmt, schaltbar ist und daß die zweite elektronische Schalteinrichtung selbsttätig von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand zurückgestellt wird, wenn ein vorbestimmter Betriebszustand zwischen der Versorgungsspannungsquelle (Wechselspannungsquelle 56) und dem Verbraucher (L vorliegt.
2. Treiber nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch eine WechselSpannungsquelle (56) als Versorgungsspannungsquelle.
3. Treiber nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite elektronische Schalteinrichtung (53, 153,
253) zur selbsttätigen Rückstellung in den ersten Zustand ausgebildet ist, wenn eine vorbestimmte elektrische Potentialdifferenz zwischen der zugeführten Wechselspannung (von der WechselspannungsquelIe 56) und dem Verbraucher vorliegt.
4. Treiber nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß er auf die Erfassung einer vorbestimmten elektrischen Potentialdifferenz von ungefähr 0 eingerichtet ist.
5. Treiber nach Anspruch 3,
gekennzeichnet durch einen induktiven Verbraucher als Verbraucher (L), der eine Gegen-EMK erzeugt, wenn die zunächst dem Verbraucher zugeführte Wechselspannung anschließend von diesem abgeschaltet wird.
6. Treiber nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß an die Wechselspannungsquelle ein Zweiwegbrückengleichrichter (55) angeschlossen ist, der mit dem Verbraucher (L) sowie einem Kondensator (Cl) in Verbindung steht, wobei der Kondensator in Reihe zu dem Verbraucher und der Wechselspannungsquelle geschaltet ist, daß der elektrische Verbraucher für den Zweiwegbrückenleichrichter (55) einen induktiven Verbraucher darstellt und daß der Kondensator (Cl) so angeordnet ist, daß er den Spannungsanstieg verringert, der durch die in dem induktiven Verbraucher erzeugte Gegen-EMK verursacht wird, wenn die Wechselspannungsquelle (56) von ihm abgetrennt wird.
7. Steuergerät mit einem Treiber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite elektronische Schalteinrichtung (53, 153, 253) auf ein externes Befehlssignal anspricht, um die Schalteinrichtung selektiv von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand zu schalten.
8. Steuergerät mit einem Treiber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das externe Befehlssignal in die zweite Schalteinrichtung (53, 153, 253) nicht vor dem Auftreten von jeder WechselspannungshalbwelIe einspeisbar ist, die von der Wechselspannungsversorgung (56) erzeugt wird.
9. Steuergerät nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß das externe Befehlssignal durch einen Schaltkreis mit einer polykristallinen Siliconsolarzelle erzeugt wird, die eine meßbare Gleichspannung abgibt.
10. Steuergerät mit einem Treiber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Verbraucher wenigstens eine Gasentladungslampe und einen (elektrischen) Ballast umfaßt.
11. Elektrische Steuereinrichtung zum Steuern der einen elektrischen Verbraucher beaufschlagenden Wechselspannung, die von einer Wechselstromquelle geliefert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung folgende Bestandteile aufweist:
einen Befehlssignalerzeuger (Steuerschaltkreis 21, Wechselspannungsquelle 13), der ein Befehlssignal zwischen
etwa 90 und 180 jeder WechselspannungshalbwelIe erzeugt, die von der WechselspannungsquelIe abgegeben wird; eine erste elektronische Schalteinrichtung (51), die mit dem Verbraucher (L) in Wirkverbindung steht und einen ersten Zustand annehmen kann, in dem sie die Wechselspannung an den Verbraucher durchschaltet, oder einen zweiten Betriebszustand, in welchem der Verbraucher (L) nicht mit der Wechselspannung beaufschlagt wird; eine zweite elektronische Schalteinrichtung (53), die auf das Befehlssignal anspricht, die mit der ersten elektronischen Schalteinrichtung (51) in Wirkverbindung steht, um die erste elektronische Schalteinrichtung zwischen deren ersten und zweiten Betriebszustand umzuschalten, wobei die zweite elektronische Schalteinrichtung (53) selektiv zwischen einem ersten Zustand, in dem sich die erste elektronische Schalteinrichtung in ihrem ersten Betriebszustand befindet, und einem zweiten Zustand, der die erste elektronische Schalteinrichtung veranlaßt, deren zweiten Betriebszustand einzunehmen, umschaltbar ist,wobeidie zweite elektronische Schalteinrichtung (53) in ihren zweiten Zustand schaltbar ist, wenn sie ein Befehlssignal empfängt und selbsttätig von ihrem ersten Zustand in ihren zweiten Zustand zurückgestellt wird, wenn ein vorbestimmter Betriebszustand des Schaltkreises zwischen der gelieferten Wechselspannung (WechselspannungsquelIe 13) und dem Verbraucher (L) gegeben ist.
12. Elektrische Steuereinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzei c h net, daß die Steuereinrichtung zur Erfassung einer elektrischen Potentialdifferenz einer vorbestimmten Höhe zwi-
sehen der Wechselspannungsquelle und dem Verbraucher als vorbestimmter Betriebszustand vorgesehen ist.
13. Elektrische Steuereinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als vorbestiiranter Zustand eine Potentialdifferenz von im wesentlichen 0 ausgewählt ist.
14. Elektrische Steuereinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Verbraucher (L) ein induktiver Verbraucher ist, der eine Gegen-EMK erzeugt, wenn an ihn eine Wechselspannung angelegt und anschließend von ihm abgeschaltet wird.
15. Elektrische Steuereinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Wechselspannungsquelle ein Zweiwegbrückengleichrichter zugeordnet ist, der mit dem elektrischen Verbraucher (L) verbunden ist, sowie einen Kondensator umfaßt, der in Reihe mit dem elektrischen Verbraucher und der WechselspannungsquelIe angeordnet ist, daß der elektrische Verbraucher einen induktiven Verbraucher für den Zweiwegbruckenglexchrichter darstellt und daß der Kondensator den Spannungsantieg herabsetzt, der durch die in dem induktiven Verbraucher erzeugte Gegen-EMK verursacht wird, wenn von diesem die Wechselspannung abgeschaltet wird.
16. Elektrische Steuereinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß das externe Befehlssignal durch eine Schaltungsanordnung mit einer polykristallinen Siliconsolarzelle
gebildet wird, welche eine meßbare Gleichspannung erzeugt.
17. Elektrische Steuereinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Verbraucher wenigstens eine Gasentladungslampe und einen (elektrischen) Ballast umfaßt.
18. Elektrische Steuereinrichtung in Verbindung mit wenigstens einer Gasentladungslampe, die einen mit Wechselstrom betriebenen Ballasttransformator aufweist, wobei die Steuereinrichtung die an einer Primärwindung des Ballasttransformators anliegende Wechselspannung steuert, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
einen Befehlssignalerzeuger, der selektiv ein Befehlssignal zwischen um 90° und 180° der Wechselspannungshalbwelle erzeugt;
eine erste elektronische Schalteinrichtung, die mit der
Primärwindung in Verbindung steht und einen ersten Betriebszustand annimmt, in dem die Wechselspannung an die Primärwindung angelegt ist, oder einen zweiten Betriebszustand annimmt, in dem die Wechselspannung nicht an der Primärwindung anliegt;
eine zweite elektronische Schalteinrichtung, die auf das Befehlssignal anspricht sowie mit der ersten elektronischen Schalteinrichtung in Wirkverbindung steht, um den Wechsel der ersten elektronischen Schalteinrichtung zwischen deren erstem und zweitem Betriebszustand
zu steuern, wobei die zweite elektronische Schalteinrichtung seltektiv zwischen einem ersten Zustand, in dem
sich die erste elektronische Schalteinrichtung in ihrem ersten Betriebszustand befindet, und einem zweiten Zustand, der die erste elektronische Schalteinrichtung zur Annahme ihres zweiten Betriebszustands steuert, umschaltbar ist, wobei die zweite elektronische Schaltein-
!0 richtung so ausgebildet ist, daß sie in ihren zweiten Zustand schaltet, wenn sie ein Befehlssignal empfängt, und selbsttätig von ihrem zweiten Zustand in ihren ersten Zustand zurückgestellt wird, wenn ein vorbestimmter Schaltkreiszustand zwischen der Stromversorgungsquelle
■)5 und der Primärwindung vorliegt.
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