DE3914676A1 - Spannungsversorgungsschaltung fuer eine leuchtstofflampe - Google Patents
Spannungsversorgungsschaltung fuer eine leuchtstofflampeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Spannungsversorgungsschaltung für
eine Leuchtstofflampe. Derartige Schaltungen verfügen über eine
elektronisch nachgebildete Last, um die Lampe mit einem Wir
kungsgrad von möglichst nahe 100 mit Leistung zu versorgen.
Es ist bekannt für Leuchtstofflampen zugeordnete elektronische
Lastschalter an der Wechselspannungsleitung primär eine
kapazitive Last vorzusehen. Da die Startspannung für die Lampe
typischerweise größer ist als die Leitungsspannung, wird die
Lampe in der Regel mit einer Schaltung verbunden, die sowohl
induktive wie auch kapazitive Reaktanzen aufweist, die so
zusammenwirken, daß die Leitungsspannung so weit erhöht wird,
daß sie ausreicht, die Lampe zu zünden. Da diese Reaktanzen
den Wirkungsgrad der Lampenschaltung negativ beeinflussen,
was für den Betreiber zu erhöhten Betriebskosten führt,
besteht seit langem die Aufgabe, derartige Schaltungen immer
so weiter zu verbessern, daß sie noch höheren Wirkungsgrad
aufweisen als bisher bekannte Schaltungen.
Die erfindungsgemäße Schaltung ist durch die Merkmale von An
spruch 1 gegeben. Sie weist einen Energiespeicher auf, der mit
einer Frequenz geladen und entladen wird, die wesentlich höher
ist als die Frequenz der geführten Wechselspannung. Das
Schaltverhältnis hängt vozugsweise von unterschiedlichen über
wachten Bedingungen ab, insbesondere Änderungen im Lampenstrom
und der Versorgungsspannung. Vom Schaltverhältnis hängt die im
ersten Intervall eines Zyklus gespeicherte Energie und die im
zweiten Intervall an die Lampe abgegebene Energie ab. Der Lam
penstrom wird dadurch im wesentlichen trotz Spannungsschwankun
gen konstant gehalten, wie sie z. B. als Welligkeit auf der
Gleichspannung nach dem Gleichrichten der Wechselspannung vor
handen sind.
Die Größe des Eingangsstromes wird durch den schaltbaren Spei
cher überwacht, und sie dient als Rückkopplungssignal, um die
Phase des Eingangsstromes mit der Phase der Spannungsversorgung
dadurch zu koppeln, daß das Schaltverhältnis abhängig von Pha
senverschiebungen geregelt wird. Dies führt zu einem Wirkungs
grad von im wesentlichen 100%.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines durch eine Figur
veranschaulichten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die
Figur ist ein schematisches Schaltbild für eine Schaltung zum
Starten und Betreiben einer Leuchtstofflampe.
Die Schaltung gemäß der Figur dient zum Betreiben eines Leucht
stofflampenpaares 12, das zwischen Anschlüsse 26 und 28 geschal
tet ist. Die Schaltung verfügt über einen Lastteil 24, einen
Gleichrichterteil 10 als Spannungsquelle für die Schaltung und
das Lampenpaar 12 und über einen 50 kHz-Sägezahngenerator 14
zum Erzeugen eines periodischen Referenzsignales mit einer Fre
quenz, die wesentlich höher ist als die Frequenz der Wechsel
spannung.
Der Lastteil 24 dient zum Kompensieren der wechselnden Impedanz
der Lampen. Es ist bekannt, daß die Impedanz einer Leuchtstoff
lampe mit zunehmendem Lampenstrom fällt. Diese negative Charak
teristik würde zu einem schnellen und dauernden Abnehmen des
Lampenstroms nach dem Zünden der Lampe führen, was ein Durch
brennen zur Folge hätte, wenn keine Gegenmaßnahme ergriffen
würde. Eine Last erzeugt einen kompensierenden Widerstand, der
den Lampenstrom auf Werte in einem solchen Bereich begrenzt,
der zu maximaler Lebensdauer der Lampe führt.
Der Gleichrichterteil 10 der Schaltung ist ein Vollwellen-
Brückengleichrichter. Der dargestellte Brückengleichrichter er
hält 115 Volt Effektivspannung mit 60 Hz von einer nicht darge
stellten Spannungsquelle. Die Welligkeit hat eine Maximalampli
tude von etwa 160 V und eine Frequenz des Doppelten der Lei
tungsspannungsfrequenz, also 120 Hz. Es können ohne weiteres
andere Spannungen mit anderen Frequenzen verwendet werden.
Die Ausgangsspannung vom Gleichrichterteil 10 wird einem Paar
in Reihe geschalteter Induktivitäten L 1 und L 2 zugeführt. An
den Verbindungspunkt zwischen den zwei Induktivitäten ist ein
Kondensator C 4 angeschlossen. Die Kombination dieser Bauteile
L 1, L 2 und C 4 filtert Schaltspannungen hoher Frequenz aus dem
eingegebenen Signal aus.
Wie im folgenden genauer beschrieben wird, dient der Rest der
Schaltung zum abwechselnden Speichern und Abgeben elektrischer
Energie. In einem ersten Intervall wird Energie aus dem Gleich
richterteil in einem Kondensator C 5 gespeichert, der in einem
zweiten Intervall zumindest teilweise über die Lampen 12 entla
den wird. Das Verhältnis zwischen den beiden Intervallen wird
durch Ändern des Schaltverhältnisses an einem FET Q 1 einge
stellt, also das Verhältnis zwischen EIN und AUS.
Das Schaltverhältnis des FET Q 1 wird durch einen Pulsbreiten
modulator 20 in Abhängigkeit von mehreren Schaltungszuständen
gesteuert. Der Pulsbreitenmodulator 20 verfügt über einen Kom
parator 22, dessen Ausgangssignal auf die Basis eines NPN-
Transistors Q 2 gegeben wird. Der Kollektor des Transistors Q 2
ist mit dem Ausgang des Gleichrichterteils 10 verbunden, während
sein Emitter an das Gate des FET Q 1 angeschlossen ist.
Der invertierende Eingang des Komparators 22 empfängt das Säge
zahn-Referenzsignal vom Sägezahngenerator 14. Darüber hinaus
steht der invertierende Eingang des Komparators über einen Wider
stand R 20 mit einer Seite des Lampenpaars 12 in Verbindung, um
die Lampenspannung E 2 zu überwachen.
Der nicht invertierende Eingang des Komparators 22 ist über ein
Paar in Reihe geschaltete Widerstände R 8 und R 1 mit derjenigen
Seite der Last 24 verbunden, die dem Lampenpaar 12 gegenüber
liegt. Dieser Anschluß dient zum Überwachen des Eingangsstromes.
Darüber hinaus ist der nicht invertierende Eingang des Kompara
tors über einen Widerstand R 9 mit dem Ausgang des Gleichrichter
teils 10 verbunden und empfängt von dort das gleichgerichtete
Ausgangssignal E 3. Dieses Signal ist die Summe der jeweiligen
gleichgerichteten Eingangsspannung E 1 und der Lampenspannung.
Der Eingangsgleichstrom wird mit Hilfe der am Widerstand R 1 ab
fallenden Spannung überwacht. Da der Strom im hinteren Teil der
Diodenbrücke dem Strom im vorderen Teil entspricht, jedoch mit
umgekehrtem Vorzeichen, ist die am Widerstand R 1 abfallende
Spannung proportional zum Strom im vorderen Teil. Der Verbin
dungspunkt zwischen den Widerständen R 8 und R 1 ist mit dem hin
teren Teil der Diodenbrücke verbunden. Das andere Ende des
Widerstandes R 1 liegt auf Schaltungsmasse. Das Potential
des Verbindungspunktes wird dadurch zunehmend negativer, wenn
der Gleichstrom auf der Rückseite der Diodenbrücke von Null
aus ansteigt.
Bevor die Lampen gezündet werden, gelangt ein Signal an den
nicht invertierenden Eingang des Komparators 22, das nur pro
portional zur gleichgerichteten Leitungsspannung E 1 ist. Da der
Maximalwert dieser Spannung etwa 160 V entspricht, sind die
Werte der Widerstände R 8 und R 9 so gewählt, daß eine Maximal
spannung von etwa 1 V erzeugt wird.
Vor dem Zünden der Lampe 12 vergleicht der Komparator 22 die
Größe der Sägezahnschwingung an seinem invertierenden Eingang
mit dem Signal, das an seinen nicht invertierenden Eingang ge
legt wird. Er erzeugt ein positives Ausgangssignal, solange das
Sägezahnsignal größer ist als das andere Signal. Das Sägezahn
signal weist eine Spannung von Spitze zu Spitze von etwa 200 mV
auf, was ausreicht, daß die Ausgangsspannung, die den Transi
stor Q 2 schaltet, in etwa 50% der Zykluszeit positiv ist.
Mit dem Schalten des Transistors Q 2 fließt Gleichstrom über
seine Kollektor-Emitter-Strecke zum Gate des FET Q 1 über einen
Widerstand R 13. Der FET Q 1 schaltet EIN, wodurch er die Aus
gangsseite der Induktivität L 1 und die rückwärtige Seite der
Diode D 2 mit Masse verbindet. Die Diode D 2 dient dazu, daß sich
der Kondensator C 5 nicht über den FET Q 1 nach Masse entladen
kann. Die am Kondensator C 5 anliegende Spannung E 2 wird als ne
gative Rückkopplungsspannung über einen Widerstand R 14 und
einen Kondensator C 10 dem Komparator 22 zugeführt.
Aufgrund der induktiven "Trägheit" der Induktivität L 1 führt
der Effekt des Ein- und Ausschaltens des FET Q 1 dazu, daß sich
am Kondensator C 5 eine Spannung aufbaut, die die Gleichspannung
E 1 übersteigt. Die Kondensatorspannung E 2 hängt mit der Gleich
spannung E 1 wie folgt zusammen:
E₂ = E₁/(1-Schaltverhältnis) (1)
wobei für das Schaltverhältnis gilt: Prozentualer Anteil der
EIN-Zeit des FET Q 1.
Dementsprechend ist ein Schaltverhältnis von 50% am FET Q 1 aus
reichend, um schnell eine Spannung einer Höhe aufzubauen, die
ausreicht, die Lampen zu zünden.
Nachdem die Lampen gezündet haben, fällt eine dem Lampenstrom
entsprechende Spannung am Widerstand R 1 ab, die an den nicht
invertierenden Eingang des Komparators gegeben wird. Dort wird
sie mit der Spannung E 1 verglichen. Es entsteht ein Fehlersig
nal, wenn die beiden Spannungen nicht in Phase sind. Der Kompa
rator 22 vergleicht das Fehlersignal mit der Sägezahnspannung
und treibt die Transistoren Q 1 und Q 2 und den Kondensator C 5 so,
daß der Eingangsgleichstrom (gemessen durch die an R 1 abfallende
Spannung) zur Gleichspannung E 1 gegenphasig wird. Die Indukti
vität L 1, der FET Q 1 und der Kondensator C 5 wirken als Span
nungsbooster, der durch den Komparator 22 gesteuert ist. Der
Komparator 22 und die Boosterschaltung wirken als einzelner
fehlerkorrigierender Verstärker, für den E 3 das Fehlersignal
und E 2 das Ausgangssignal ist, das als negatives Eingangssignal
an den Eingang des fehlerkorrigierenden Verstärkers rückgekop
pelt wird.
Eine Änderung in der Spannung E 3 von -200 mV nach + 200 mV hat
eine Änderung im Schaltverhältnis des FET Q 1 von 0% auf 100%
zur Folge. Das Fehlersignal E 3 ist die Nettospannung, die aus
der Phasendifferenz zwischen der Welligkeitsspannung auf der
Gleichspannung und der Eingangsspannung resultiert. Da, wie in
Gleichung (1) angegeben, die Ausgangsspannung E 2 des fehler
korrigierenden Verstärkers mit der Eingangsspannung E 1 über das
Schaltverhältnis des FET Q 1 gekoppelt ist, minimiert das Schalt
verhältnis den "Fehler" zwischen Eingangsstrom und Eingangs
spannung, wodurch die Phasendifferenz zwischen der am Wider
stand R 1 abfallenden Spannung, hervorgerufen durch den dort
fließenden Strom, und der am Verbindungspunkt zwischen den Wi
derständen R 8 und R 9 abgegriffenen Spannung dadurch minimiert
wird, daß der Eingangsstrom in Phase mit der Eingangsspannung
bleibt. Dies hat einen Wirkungsgrad von im wesentlichen Eins
für die Lastschaltung und die Lampe zur Folge. Die Selbstre
gelung der erläuterten Schaltung führt dazu, daß keine in Reihe
geschalteten Induktivitäten, Transformatoren und abgestimmte
Schaltungen mehr erforderlich sind. Der größte Teil der Schal
tung kann daher mit LSI-Techniken realisiert werden, was zu
beachtenswerten Kostenvorteilen führt.
Claims (10)
1. Spannungsversorgungsschaltung für eine Leuchtstofflampe mit
- - ersten Anschlüssen zum Zuführen von Wechselspannung,
- - zweiten Anschlüssen (26, 28) zum Zuführen von Gleichspan nung an die Lampe (12),
- - eine Einrichtung (14) zum Erzeugen eines periodischen Be zugssignals mit einer Frequenz, die erheblich höher ist als die Frequenz der Wechselspannung,
- - einem schaltbaren Speicher (C 5) zum abwechselnden Speichern von Energie in einem ersten Intervall und zum Abgeben zu mindest eines Teils der Energie an die Lampe in einem zwei ten Intervall, und
- - eine Einrichtung (22), die auf Schwankungen in der Wech selspannung hin das Verhältnis der beiden Intervalle än dert, um die Größe des Lampenstroms im wesentlichen kon stant zu halten.
2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch :
- - eine Spannungserhöhungsschaltung (L 1, Q 1, Q 2, C 5), die eine ihr zugeführte Eingangsspannung abhängig vom Schaltverhält nis einer Schalteinrichtung (U 2) erhöht, und
- - einen Komparator (22) zum Regeln des Schaltverhältnisses abhängig von der Phasenverschiebung zwischen Eingangs spannung und Eingangsstrom, wobei so geregelt wird, daß die Verschiebung möglichst Null ist.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß der Spannungserhöher eine Induktivität (L 1) auf
weist, die mit der Eingangsspannungsquelle verbunden ist, um
die Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten, wenn der Schalter
umschaltet, und ein Stromventil (D 2) vorhanden ist, das die
Induktivität mit dem Kondensator (C 5) verbindet, um nur
Strom in einer Richtung von der Induktivität zum Kondensator
zuzulassen.
4. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Referenzsignal dem Kompara
tor (22) zugeführt wird, um ein Referenz-Schaltverhältnis
dann zu liefern, wenn der Lampenstrom und die Eingangsspan
nung in Phase sind.
5. Schaltung nach einem der Ansprüche 2-4, gekenn
zeichnet durch Bauteile (R 8, R 10), die die Eingangs
spannung an den Komparator (22) geben, um das Schaltverhält
nis abhängig von der Eingangsspannung zu ändern.
6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-5, gekennzeich
net durch Mittel zum Erzeugen eines Fehlersignals, das
ein Maß für die Phasendifferenz zwischen Eingangsstrom und
Eingangsspannung ist, wobei die Amplitude des Fehlersignals
zwischen der Maximal- und der Minimalamplitude des periodi
schen Referenzsignals liegt, wobei das Ausgangssignal vom
Komparator (22) einen ersten Pegel einnimmt, solange der
Pegel des Referenzsignals unter dem Pegel des Fehlersignals
liegt, und daß andernfalls ein Signal mit zweitem Pegel aus
gegeben wird.
7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-6, gekennzeich
net durch
- - einen Vollwellengleichrichter zum Erzeugen einer Gleich spannung mit einer Wechselspannungs-Restwelligkeit, und
- - einem Filter zum Verringern der Restwelligkeit.
8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-7, gekennzeich
net durch ein einstellbares Widerstandsmittel, das mit
einem Lampenanschluß in Reihe geschaltet ist, um den variab
len Widerstand der Leuchtstofflampe zu kompensieren.
9. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-8, gekenn
zeichnet durch einen ersten Schalter, der auf ein
Schaltsignal reagiert, um die Induktivität und ein Strom
ventil, das zum Ladungsspeicher führt, mit Masse zu verbin
den, um das erste Intervall zu definieren.
10. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-9, gekennzeich
net durch
- - einen Widerstand zum Abgreifen der gleichgerichteten Span nung mit Hilfe eines Stromes, der von der Rückseite des Gleichrichters zur Schaltungsmasse fließt, und
- - einen Komparator (22), der abhängig von der Größe dieser Spannung und der Größe der gefilterten Gleichspannung ein Schaltsignal an den genannten Schalter gibt.
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