DE4001549A1 - Elektronisches vorschaltgeraet zum betrieb von entladungslampen - Google Patents

Elektronisches vorschaltgeraet zum betrieb von entladungslampen

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Peter Prof Dr Ing Marx
Burkhard Prof Dr Ing Karstaedt
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/26—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc
    • H05B41/28—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters
    • H05B41/282—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters with semiconductor devices
    • H05B41/2825—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters with semiconductor devices by means of a bridge converter in the final stage
    • H05B41/2828—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters with semiconductor devices by means of a bridge converter in the final stage using control circuits for the switching elements

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Description

Die Erfindung betrifft ein neuartiges elektronisches Vorschaltgerät zum Betrieb von Entladungslampen - z. B. Leuchtstofflampen -, welches eine Variation der Lampenhelligkeit (sog. Dimmen) ermöglicht. Der Stand der Technik ist in der Offenlegungsschrift DE 38 05 159 A1 ausführlich erläutert.
Die dort beschriebene Schaltungsanordnung weist die folgenden Nachteile auf:
  • 1. Ein Betrieb an einem Gleichspannungsnetz ist nicht möglich, da zur Versorgung der Steuerelektronik ein Hilfstransformator erforderlich ist.
  • 2. Das Dimmverhalten der Leuchtstofflampen ist wegen unvollkommener Heizung der Lampenelektroden nicht optimal.
Die beschriebenen Nachteile werden durch die nachfolgend erläuterte Schaltungsanordnung vermieden.
Wie aus der Literatur bekannt, werden bei modernen elektronischen Vorschaltgeräten sog. elektronische Oberschwingungsfilter zur Erhöhung des Leistungsfaktors und gleichzeitiger Reduzierung von Oberschwingungen des Netzstroms verwendet (vgl. Lit.: PWM-Controller-Chip-Fixes Power Factor von Frank Goodenough, in ELECTRONIC DESIGN - INTERNATIONAL, June 1989).
Hierbei findet eine als Hochsetzsteller bekannte Schaltung Anwendung, die im wesentlichen aus einer Speicherinduktivität L3, einem Schalttransistor T3, einer Diode D9, einem Ladekondensator C5 und einem Sinus-Steuer IC2 besteht. Ein Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 1.
Der Betrieb an Gleich- und Wechselspannungsnetzen wird erfindungsgemäß durch folgende Schaltungsanordnung gelöst:
Die Speicherdrossel L3 wird ergänzt durch eine Hilfswicklung N1. Die an N1 entstehende Wechselspannung wird über den Widerstand R3 mit der Diodenanordnung D1 bis D4 zweiweg-gleichgerichtet. Dadurch wird der Kondensator C3 aufgeladen. Die Spannung an diesem Kondensator wird mit einer Z-Diode D10 auf ca. 15 V stabilisiert.
Diese Spannung ist zwingend erforderlich, um die gesamte Steuerelektronik des EVG's zu versorgen.
Damit beim Betrieb des EVG's an Gleich- oder Wechselspannungsnetzen ein sicherer Start ermöglicht wird, bedarf es noch der nachfolgend beschriebenen Startschaltung.
a) Start bei Wechselspannungsbetrieb
Nach dem Einschalten der Netzspannung (z. B. 230 V AC) wird über die Diodenanordnung D5 bis D8 (Graetz-Brückenschaltung), die Wicklung N3 von L3 über die Diode D9 der Ladekondensator C5 auf etwa den Scheitelwert der Netzspannung aufgeladen.
b) Start bei Gleichspannungsbetrieb (z. B. 230 V DC)
Auch hier wird über den unter a) beschriebenen Strompfad C5 aufgeladen (ca. 230 V DC).
Die Ladespannung UBr an C5 bewirkt nun, daß am Gate des Power-MOS-Transistors T4 über R5 und die Z-Diode D11 eine positive Spannung von 15 V entsteht, wodurch der Transistor T4 leitend wird und dadurch der Startkondensator C3 auf Uv≈+15 V aufgeladen wird.
Da nun die Spannung an Source und Gate von T4 etwa gleich sind, sperrt T4 sofort, da es sich um einen selbstsperrenden N-Kanal MOS-FET handelt.
Wenn T4 leitend geworden ist, ist T5 noch gesperrt, da C4 noch ungeladen ist. Nach einer durch die Dimensionierung von R6, R7 und C4 bestimmten Zeitkonstanten wird T5 leitend und sperrt automatisch T4. Um ein rasches Wiedereinschalten des EVG's zu ermöglichen, ist die Zeitkonstante von C4 und R7 so gewählt worden, daß T5 innerhalb einer Sekunde nach dem Ausschalten des EVG's wieder startbereit ist, d. h. sich im nichtleitenden Zustand befindet.
Das Dimmverhalten wird verbessert, indem die Serienschwingkreisdrosseln L1 und L2 je 2 voneinander galvanisch getrennte Hilfswicklungen L1′ und L1′′ sowie L2′ und L2′′ erhalten (Fig. 2).
Diese vier Hilfswicklungen werden jeweils mit den 4 Elektroden der beiden Leuchtstofflampen LL1 und LL2 verbunden, die dadurch auch beim Dimmen ausreichend geheizt werden.
Anstelle der Ansteuerung der beiden Halbbrücken-Transistoren T1 und T2 mit Optokopplern oder Impulstransformatoren können vorteilhaft integrierte Hochvolt-Halbbrückentreiber (sog. HVIC) verwendet werden. Die Funktion dieses Treiberbausteins wird anhand des Blockschaltplanes Fig. 3 näher erläutert.
Es wird eine sog. "Bootstrap-Technik" verwendet. Während T2 leitet, wird der Kondensator CBoot über die Diode DBoot auf Uv≈+15 V aufgeladen. Später wird T2 gesperrt und T1 leitet.
Das Sourcepotential von T1 (Anschlußpkt. Last) steigt auf etwa UBR an.
Die Gleichspannung U1 des Kondensators CBoot steigt gleichzeitig um UBR an, womit eine schwebende Versorgungsspannung für den Treiber 1 erreicht wird.
Eine Spannungspegelverschiebungs-Schaltung steuert den Transistor 1 an (Fig. 3).
Wie aus der Literatur bekannt, wird das Dimmen von Entladungslampen über eine Pulsweitenmodulation der Halbbrücken-Transistoren mit geeigneten PWM-IC's oder durch eine Variation der Steuerfrequenz der Halbbrücke erreicht. Hierbei wird der Strom durch die Reihenschaltung von Entladungslampe mit Parallelkondensator und Strombegrenzungsdrossel entweder durch das PWM-Verfahren oder durch Änderung des induktiven Drosselwiderstandes mittels Frequenzvariation verändert, wodurch sich die Lampenhelligkeit ändert.
Üblicherweise wird das Tastverhältnis des PWM-IC's über eine variable Gleichspannung verändert. Nachteilig ist hierbei, daß keine galvanische Trennung zwischen dem Helligkeitsregler und der Lampe besteht. Zur Vermeidung dieses Nachteils wird erfindungsgemäß ein Optokoppler IC3 mit nachgeschaltetem Tiefpaßfilter R1 und C6 verwendet, wobei die Leuchtdiode des Optokopplers über R2 zu den Klemmen 4 und 5 des EVG's geführt wird (Fig. 2).
An diese Klemmen kann über eine einfache 2-Draht-Leitung ein externer Dimmgeber mit integrierten PWM-Steuerbaustein zur Helligkeitssteuerung eingesetzt werden, wobei mehre EVG's durch Parallelschalter der Klemmen 4 und 5 gedimmt werden können.
Bezugszeichenliste
IC1 PWM-integrierte Schaltung mit Pulsweitenmodulator
IC2 integrierte Steuerschaltung für sinusförmige Netzstromaufnahme
IC3 integrierte Schaltung bestehend aus einem Optokoppler
EVG Elektronisches Vorschaltgerät
HVIC Hochvolt-Halbbrückentreiber
LL1, LL2 Entladungslampen
L1 Drosselspule
C1 Kondensator
L2 Drosselspule
C2 Kondensator
L1′ Heizspule
L1′′ Heizspule
L2′ Heizspule
L2′′ Heizspule
T1, T2 Leistungstransistoren
R1-R7 ohmsche Widerstände
D1-D4 Gleichrichterdioden
D5-D9 Leistungsgleichrichterdioden
D10, D11 Z-Dioden
4 und 5 Anschlußklemmen für Ansteuerung des PWM-Bausteins
Uv Gleichspannungsversorgung für die Ansteuerung
N1 Trafohilfswicklung (Hochsetzstellerdrossel L3)
N2 Detektorspule (Hochsetzstellerdrossel L3)
N3 Drosselspule (Hochsetzstellerdrossel L3)
T3 Leistungstransistor
C5 Hochvoltladekondensator
Ubr Versorgungsspannung für die Brückenschaltung
C3, C4 Ladekondensator
T5 Schalttransistor
U1 Schwebende Spannungsversorgung
CBOOT Ladekondensator (Bootstrapschaltung)
DBOOT Ladediode (Bootstrapschaltung)
S Spannungspegelverschiebung

Claims (5)

1. Elektronisches Vorschaltgerät zum Betrieb von Niederdruck-Entladungslampen für Gleich- und Wechselspannungsbetrieb, bestehend aus einem Wechselrichter in Halbbrückenschaltung, der die Lampe über einen zu ihr parallel geschalteten kapazitiven Blindwiderstand und einen dazu in Serie geschalteten induktiven Blindwiderstand speist, einen Gleichspannungszwischenkreis, gebildet durch ein elektronisches Oberschwingungsfilter und einer digitalen Ansteuerschaltung für die Halbbrückentransistoren, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) nach dem Einschalten der Versorgungsspannung des EVG's das Gate von T4 über R5 und die Z-Diode D11 eine Spannung von +15 V gegen das Sourcepotential von T4 erhält, wodurch T4 sofort leitend wird (Fig. 1).
  • b) Über den Transistor T4 und den Widerstand R4 der Startkondensator C3 auf die zum Betrieb der Steuerelektronik notwendige Versorgungsspannung (z. B. Uv +15 V) aufgeladen wird (Fig. 1).
  • c) Über eine 3. Wicklung N1 der Hochsetzstellerdrossel L3 und eine Graetz-Brückenschaltung der Kondensator C3 ständig nachgeladen wird (Fig. 1).
  • d) Der Transistor T5 nach einer durch R6, R7 und C4 definierten Zeit leitend wird und dadurch den Transistor T4 dauernd sperrt (Fig. 1).
2. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung des Dimmverhaltens der Lampen LL1, LL2 die Serien-Schwingkreisdrosseln L1 und L2 je 2 voneinander galvanisch getrennte Hilfswicklungen L1′ und L1′′ sowie L2′ und L2′′ erhalten, die mit den Elektroden der Leuchtstofflampen jeweils verbunden sind, um diese zusätzlich zu heizen (Fig. 2).
3. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung der Halbbrückentransistoren T1 und T2 integrierte Hochvolthalbbrückentreiber (sog. HVIC) verwendet werden (Fig. 3).
4. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Dimmen der Lampen ein integrierter PWM-Baustein IC1 in Verbindung mit einem Optokoppler IC3 und nachgeschaltetem R-C-Tiefpaß (R1, C6) und einem die Leuchtdiode über den Widerstand (R2) des Optokopplers steuernden externen PWM-Steuerbaustein besteht (Fig. 2).
5. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Dimmen der Lampen die Frequenz des PWM-Steuerbausteins IC1 verändert wird.
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