DE3524266A1 - Schaltungsanordnung zum betrieb von hochdruckgasentladungslampen - Google Patents
Schaltungsanordnung zum betrieb von hochdruckgasentladungslampenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
zum Betrieb von Hochdruckgasentladungslampen, bestehend
aus einem an ein Wechselspannungsnetz angeschlossenen
Vollweggleichrichter, dessen Ausgangsgleichspannung einem
aus einem Schalttransistor, einer Drosselspule, einer
Freilaufdiode und einem Speicherkondensator bestehenden
Schaltznetzteil zugeführt wird, aus dem die Lampe gespeist
wird. Das Tastverhältnis und/oder die Schaltfrequenz des
Schalttransistors wird dabei von einer Steuereinrichtung
derart gesteuert, daß die Strombelastung des Wechselspannungsnetzes
möglichst sinusförmig ist.
Eine derartige Schaltungsanordnung mit einem Durchfluß-
oder Sperrwandler ist z. B. aus der EP-OS 00 59 053
bekannt. Üblicherweise werden hierbei Speicherkondensatoren
mit relativ hoher Kapazität verwendet, z. B.
200 µF/400 V bei 130 W Leistungsaufnahme der Lampe. Um
eine Mindestlebensdauer der Speicherkondensatoren zu
gewährleisten, ist eine relativ große Anzahl von
Elektrolytkondensatoren erforderlich. Andernfalls würden
sich die Kondensatoren aufgrund der hochfrequenten
Stromimpulse zu stark erwärmen. Daher wäre es wünschenswert,
für den Speicherkondensator Folienkondensatoren zu
verwenden. Bei den bekannten Schaltungsanordnungen hätte
diese Lösung jedoch den Nachteil, daß wegen deren kleiner
Speicherfähigkeit pro Volumeneinheit am Speicherkondensator
keine konstante Gleichspannung, sondern eine
mit der doppelten Netzfrequenz pulsierende Gleichspannung
auftritt. Oftmals ist aber eine nur geringe Gleichspannungsschwankung
erwünscht. Die Regelung für einen
üblicherweise benutzten Aufwärts-Spannungswandler ist
besonders einfach, wenn eine konstante Ausgleichsspannung
vorausgesetzt wird. Zum anderen ist eine nicht zu
große Spannungsschwankung auch günstig für das Verhalten
von Hochdruckgasentladungslampen, da diese bei Spannungen
unterhalb ihrer Brennspannung erlöschen. Eine Wiederzündung
von Hochdruckgasentladungslampen ist jedoch nur
dann möglich, wenn kurz nach dem Verlöschen der Lampe
wieder eine ausreichende Spannung (Wiederzündspannung) am
Speicherkondensator zur Verfügung steht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
Schaltungsanordnung zum Betrieb von Hochdruckgasentladungslampen
zu schaffen, die einerseits eine möglichst
sinusförmige Netzbelastung bei geringen Eigenverlusten
bewirkt und bei der man mit einem möglichst kleinen
Speicherkondensator bei geringer Spannungsschwankung an
diesem Speicherkondensator auskommt.
Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung eingangs
erwähnter Art dadurch gelöst, daß zwischen Speicherkondensator
und Lampe ein weiteres Schaltnetzteil mit
mindestens einem elektronischen Schaltelement angeordnet
ist, das von einer Steuereinrichtung gesteuert wird, die
den momentanen höherfrequenten Lampenstrom mit einem
Sollwert vergleicht, der aus einer sinusförmigen Spannung
mit doppelter Netzfrequenz und einem Gleichanteil mit
einer Größe von mindestens der maximalen Amplitude der
Sinusschwingung besteht.
Eine solche Schaltungsanordnung erzeugt einen Lampenstrom,
dem eine von der Schaltfrequenz des elektronischen Schaltelementes
abhängige Hochfrequenzkomponente aufmoduliert
ist, dessen Frequenz üblicherweise zwischen 10 und
100 kHz, vorzugsweise zwischen 20 und 50 kHz liegt. Der
Lampenstrom pulsiert im Takt der doppelten Netzfrequenz,
zu der ein Gleichstromanteil hinzuaddiert ist. Die
benötigte Sollwertspannung sin2 ω t wird dabei vorzugsweise
aus der hinter dem Vollweggleichrichter anstehenden
Spannung |sin ω t erzeugt, in deren Fourierentwicklung
als 1. Harmonische die Funktion cos2 ω t enthalten ist.
Gemäß der Formel sin2 ω t = 1/2 (1 - cos2 ω t) kann man
daraus durch Überlagerung mit einem Gleichanteil das
Quadrat des Sinus erzeugen.
Unter einem Schaltnetzteil ist in diesem Zusammenhang
nicht nur ein Sperr- oder Durchflußwandler zu verstehen,
sondern auch ein Gegentaktwandler, z. B. ein Halbrücken-
oder ein Brückengegentaktwandler.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Schaltungsanordnung
nach der Erfindung ist an den Vollweggleichrichter
ein Optokoppler angeschlossen, der aus der
gleichgerichteten Netzspannung über eine RC-Kombination
die Sollwertspannung erzeugt.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform nach der
Erfindung ist das weitere Schaltnetzteil ein Durchflußwandler,
wobei aus dem Spannungsabfall am elektronischen
Schaltelement über eine RC-Kombination die Sollwertspannung
erzeugt wird.
Ausführungsbeispiele nach der Erfindung werden nunmehr
anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruckgasentladungslampe
mit einem über eine Steuereinrichtung
geregelten Durchflußwandler (Aufwärts-Spannungswandler),
an den sich ein über eine Steuereinrichtung
geregelter weiterer Durchflußwandler (Abwärts-Spannungswandler)
anschließt,
Fig. 2 das Schaltschema der bei der Schaltungsanordnung
nach Fig. 1 verwendeten Steuereinrichtung,
Fig. 3 das Schaltschema einer anderen Steuereinrichtung,
Fig. 4 den Spannungsverlauf am Ausgang des Vollweggleichrichters
der Schaltungsanordnung nach Fig. 1,
Fig. 5 den Verlauf der Sollwertspannung bei den Schaltungsanordnungen
nach den Fig. 2 und 3,
Fig. 6 den Stromverlauf durch die Lampe.
In Fig. 1 sind mit A und B Eingangsklemmen zum Anschließen
an ein Wechselspannungsnetz von z. B. 220 V, 50 Hz bezeichnet.
An diese Eingangsklemmen A und B ist über ein Hochfrequenzfilter
1 ein Vollweggleichrichter 2 mit vier
Dioden angeschlossen. An den Ausgang des Vollweggleichrichters
2 schließt sich ein aus einem Schalttransistor 3,
einer Drosselspule 4, einer Freilaufdiode 5 und einem
Speicherkondensator 6 bestehender Durchflußwandler
(Aufwärts-Spannungswandler) an. Am Speicherkondensator 6,
der eine relativ kleine Kapzität von z. B. 1,5 µF besitzt,
steht eine Gleichspannung von maximal 400 V an.
Parallel zu diesem Speicherkondensator 6 ist ein weiterer
Durchflußwandler (Abwärts-Spannungswandler) angeschlossen,
der aus einem elektrischen Schaltelement 7 in Form eines
weiteren Schalttransistors einer Drosselspule 8, einer
Hochdruckgasentladungslampe 9 und einer Freilaufdiode 10
besteht. In den Lampenkreis ist ferner ein als Stromsensor
dienender Meßwiderstand 11 eingefügt, an dem eine dem
momentanen Lampenstrom-Istwert proportionale Istwert-
Spannung abgegriffen wird, die auf den Eingang C einer
Steuereinrichtung 12 gegeben wird. Der Lampenstrom I wird
durch die Steuereinrichtung 12 in der unten beschriebenen
Weise einem von der am Eingang D der Steuereinrichtung 12
angelegten gleichgerichteten Netzspannung abgeleiteten
Sollwertsignal nachgeführt.
Eine Steuereinrichtung 13 zur Steuerung des Tastverhältnisses
und/oder der Schaltfrequenz des Schalttransistors 3
arbeitet so, daß der aus dem Wechselspannungsnetz aufgenommene
Strom möglichst sinusförmig verläuft. Derartige
Steuereinrichtungen sind an sich bekannt, z. B. aus der
DE-OS 26 52 275.
Die Steuereinrichtung 12 hat die Aufgabe, die Spannungsschwankung
am Speicherkondensator 6 möglichst gering zu
halten. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Speichereinrichtung
12 wird nunmehr anhand der Fig. 2 näher
beschrieben. Aus der am Ausgang des Vollweggleichrichters
2 anliegenden Spannung U o =|sinω t| (Fig. 4)
wird über einen Widerstand 14, einen Optokoppler 15 und
einen veränderbaren Widerstand 16 an einem dem letzteren
parallel geschalteten Kondensator 17 eine sinusförmige
Spannung der doppelten Netzfrequenz erzeugt. Eine
RC-Kombination, bestehend aus einem veränderbaren
Widerstand 18 und einem Kondensator 19, dient dazu, die
Phase der Sollwertspannung, welche letzlich an die
Eingänge der Komparatoren 20 und 21 angelegt wird, mit der
Phase der Netzspannung in Übereinstimmung zu bringen. Ein
Kondensator 22 dient zum Sperren des Gleichanteils,
der mit Hilfe eines veränderbaren Widerstandes 23 beliebig
eingestellt werden kann. Hiermit läßt sich erreichen, daß
den Eingängen der Komparatoren 20 und 21 ein Sollwertsignal
U soll = a sin2 ω t + b zugeführt werden kann
(Fig. 5). Die Konstante b kann natürlich auch Null
werden. Die Sollwertspannung U soll ist eine sinusförmige
Spannung mit doppelter Netzfrequenz und einem Gleichanteil
mit einer Größe von mindestens der maximalen Amplitude a/2
der Sinusschwingung. In Fig. 5 ist der Gleichanteil durch
die gestrichelte Linie x-x angedeutet.
Am Komparator 20 kann über einen veränderbaren Widerstand
24 ein oberes Grenzniveau eingestellt werden. Am
Komparator 21 kann über Widerstände 25 und 26 ein unteres
Grenzniveau eingestellt werden. Kondensatoren 33 und 34
dienen zur Unterdrückung hochfrequenter Störsignale. Die
dem Lampenstrom proportionale, am Meßwiderstand 11
abfallende Istwert-Spannung wird über einen Kondensator 27
und ein Potentiometer 28 heruntergeteilt und den Komparatoren
20 und 21 zugeführt. Die Ausgangssignale der
Komparatoren 20 und 21 werden dem Rücksetz-Eingang R bzw.
dem Setz-Eingang S einer bistabilen Kippstufe 29 zugeführt.
Das Signal am Ausgang F der bistabilen Kippstufe 29
schaltet nun den Transistor 7 leitend bzw. nichtleitend.
Eine am Punkt G anliegende stabilisierte Gleichspannung
von z. B. 12 V kann sich das System selbst erstellen und
wird zur Spannungsversorgnung der Elektronik sowie über
Widerstände 30 und 31 den Ausgängen der Komparatoren 20
und 21 zugeführt.
Die Steuereinrichtung 12 arbeitet dann so, daß bei
Erreichen des oberen Sollwertniveaus U o soll der
Schalttransistoren 7 nichtleitend geschaltet wird;
bei Erreichen des unteren Referenzstromniveaus U u soll wird
der Transistor 7 wieder leitend geschaltet (Fig. 6). Die
Schaltfrequenz des Schalttransistors 7 verändert sich
während der 100 Hz-Perioden, liegt dabei aber vorzugsweise
zwischen 20 und 100 kHz, je nach Größe der
Drosselspule 8. Fig. 6 zeigt den Verlauf des
Lampenstromes I, welcher im wesentlichen dem Verlauf der
Sollwertspannung nach Fig. 5 entspricht, überlagert von
der Schaltfrequenz des Schalttransistors 7.
Mit diesem Ausführungsbeispiel kann man beim Betrieb einer
50 W-Quecksilberhochdrucklampe erreichen, daß die
Spannungsschwankung am Speicherkondensator 6 geringer als
60 V ist. Dies führt gleichzeitig zu einem sauberen sinusförmigen
Netzstrom. Wählt man jedoch als Sollwertniveau,
wie an sich bekannt, eine konstante Gleichspannung, so
erhält man eine Spannungsschwankung von nahezu 400 V, was
bei dem gleichen Aufwärts-Spannungswandler zu deutlichen
Netzverformungen führt. Um diese zu vermeiden, muß man bei
dieser Art der Regelung einen deutlich größeren
Kondensator 6 verwenden (ca. 10 µF).
Die Steuereinrichtung 12 nach Fig. 3 entspricht im
wesentlichen der Einrichtung nach Fig. 2. Anstelle des
Optokopplers wird hierbei jedoch die Sollwertspannung aus
dem Spannungsabfall am Schalttransistor 7 erzeugt, indem
über dem Schalttransistor 7 und dem Meßwiderstand 11 eine
Spannung abgegriffen wird und diese über einen Widerstand
32 dem veränderbaren Widerstand 16 zugeführt wird.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel mit einer
Steuereinrichtung nach Fig. 2 zum Betrieb einer 50 W-
Quecksilberhochdrucklampe mit einer Lampenbrennspannung
von ca. 90 V bei einer Netzwechselspannung von 220 V,
50 Hz und einer Spannung am Speicherkondensator 6 von
maximal 400 V wurden folgende Schaltungselemente
verwendet:
Claims (3)
1. Schaltungsanordnung zum Betrieb von Hochdruckgasentladungslampen,
bestehend aus einem an ein Wechselspannungsnetz
angeschlossenen Vollweggleichrichter, dessen
Ausgleichsspannung einem aus einem Schalttransistor,
einer Drosselspule, einer Freilaufdiode und einem
Speicherkondensator bestehenden Schaltnetzteil zugeführt
wird, aus dem die Lampe gespeist wird,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Speicherkondensator
(6) und Lampe (9) ein weiteres Schaltnetzteil (7, 8,
10, 11) mit mindestens einem elektronischen Schaltelement
(7) angeordnet ist, das von einer Steuereinrichtung
(12) gesteuert wird, die den momentanen höherfrequenten
Lampenstrom mit einem Sollwert vergleicht, der
aus einer sinusförmigen Spannung mit doppelter Netzfrequenz
und einem Gleichanteil mit einer Größe von
mindestens der maximalen Amplitude der Sinusschwingung
besteht.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß an den Vollweggleichrichter
(2) ein Optokoppler (5) angeschlossen ist, der aus
der gleichgerichteten Netzspannung über eine
RC-Kombination (16, 17) die Sollwertspannung erzeugt.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Schaltnetzteil ein
Durchflußwandler (7 bis 11) ist, wobei aus dem Spannungsabfall
am elektronischen Schaltelement (7) über eine
RC-Kombination (16, 17) die Sollwertspannung erzeugt wird.
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1986
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