DE4101980A1 - Wechselspannungs-vorschaltgeraet fuer elektrische entladungslampen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wechselspannungs-Vorschalt­ gerät für elektrische Entladungslampen, und insbeson­ dere für Leuchtstofflampen, welche beheizbare Elektro­ den aufweisen.

Ein Wechselspannungs-Vorschaltgerät ist bekannt aus DE 23 32 682 C2. Dieses Gerät enthält eine Reihenschaltung aus einer Induktivität und der Entladungslampe, wobei diese Reihenschaltung mit einem Längsstellglied in Reihe geschaltet ist. Parallel zu der Entladungslampe ist über eine Gleichrichterschaltung ein elektronischer Schalter geschaltet, dessen Tastverhältnis zur Hellig­ keitssteuerung der Lampe kontinuierlich verändert wird. Gleichzeitig ist das Längsstellglied so gesteuert, daß die Elektroden über den gesamten Lichtsteuerbereich mit annähernd gleichbleibender Leistung geheizt werden.

Beim Betrieb einer Entladungslampe mit einem Wechsel­ spannungs-Vorschaltgerät erlischt die Lampe immer dann, wenn die Amplitude innerhalb einer Halbwelle der Ver­ sorgungsspannung einen Grenzwert unterschreitet und die für die Aufrechterhaltung des Lampenbetriebs erforder­ liche Spannung nicht mehr zur Verfügung steht. Bei der nächstfolgenden Halbwelle zündet die Lampe von neuem. Ein Nachteil besteht darin, daß die Lampe mit einer Frequenz von 100 Hz flimmert. Nachteilig ist weiterhin, daß der Lampenbetrieb mit einem Wechselspannungs-Vor­ schaltgerät zu einer schlechten Energieausnutzung führt, weil jeweils nur ein Teil der in jeder Halbwelle zur Verfügung stehenden Energie für die Lichterzeugung genutzt wird.

Gleichspannungs-Vorschaltgeräte, die an eine Wechsel­ spannung als Versorgungsspannung angeschlossen werden, erzeugen daraus eine Betriebs-Gleichspannung, die von einem Wechselrichter in eine hochfrequente Wechselspan­ nung für den Lampenbetrieb umgesetzt wird. Dabei wird zwar ein flimmerfreier Lampenbetrieb ermöglicht, jedoch ist mit der mehrfachen Spannungsumsetzung ebenfalls ein Energieverlust verbunden. Außerdem besteht der Nach­ teil, daß bei der Umsetzung der Netzspannung in eine Gleichspannung ein Oberwellenfilter erforderlich ist, um zu verhindern, daß das Vorschaltgerät unzulässige Verzerrungen des Netzstroms hervorruft. Solche Ober­ wellenfilter für die 50 Hz-Netzfrequenz sind sehr auf­ wendig und teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wechsel­ spannungs-Vorschaltgerät zu schaffen, das einen sehr guten Wirkungsgrad hat, eine geringe Lichtwelligkeit bewirkt und mit geringem Aufwand hergestellt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Bei dem erfindungsgemäßen Wechselspannungs-Vorschalt­ gerät wird die Lampe nur dann ständig mit gesperrtem dritten Schalter, also ohne Kurzschluß, betrieben, wenn die Amplitude der Versorgungsspannung größer ist als der Grenzwert. Der Grenzwert ist vorzugsweise auf den­ jenigen Wert eingestellt, bei dem die Lampe erlöschen würde. Bei unterhalb des Grenzwerts liegender Versor­ gungsspannung wird der weitere Schalter abwechselnd ein- und ausgeschaltet. Im leitenden Zustand des weite­ ren Schalters lädt sich die Induktivität über den ersten Schalter auf und im Sperrzustand des weiteren Schalters entlädt sie sich über die Lampe, wobei an der Lampe eine Lampenspannung entsteht, die größer als die Versorgungsspannung ist. Durch das Ein- und Ausschalten des weiteren Schalters mit Hochfrequenz wird somit er­ reicht, daß die Lampenspannung auch bei kleinen Ampli­ tuden der Versorgungsspannung einen Wert annimmt, der für die Aufrechterhaltung des Lampenbetriebs ausreicht. Die Höhe der dabei entstehenden Lampenspannung kann durch eine Veränderung des Tastverhältnisses und/oder der Frequenz der Betätigung des weiteren Schalters in dem jeweils gewünschten Maße geändert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung werden, solange die Amplitude der Versorgungsspannung den Grenzwert überschreitet, der erste und der zweite Schalter bei gesperrtem weiterem Schalter innerhalb einer Halbwelle der Versorgungsspannung mehrfach ein- und ausgeschaltet. Auf diese Weise kann durch Verände­ rung des Tastverhältnisses und/oder der Frequenz dieser Ein- und Ausschaltung auch das Maß derjenigen Energie verändert werden, die bei relativ großer Amplitude der Versorgungsspannung zur Lampe übertragen wird.

Das erfindungsgemäße Wechselspannungs-Vorschaltgerät teilt jede Halbwelle der Versorgungsspannung in drei Abschnitte auf, nämlich einen ersten Abschnitt, in dem die Amplitude klein ist, einen zweiten Abschnitt, in dem die Amplitude groß ist, und einen dritten Ab­ schnitt, in dem die Amplitude wieder klein ist. In dem ersten und dem dritten Abschnitt erfolgt durch Hoch­ frequenzumschaltung ein ständiges Aufladen und Entladen der Induktivität, so daß an der Lampe eine Hoch­ frequenz-Wechselspannung von gewünschter Amplitude ent­ steht. In dem zweiten Abschnitt kann die Versorgungs­ spannung ständig durchgeschaltet sein. Jedoch ist es auch möglich, in diesem zweiten Abschnitt eine Taktung durchzuführen, bei der ebenfalls abwechselnd Aufladun­ gen und Entladungen der Induktivität vorgenommen wer­ den. Diese Art der Umsetzung der Versorgungswechsel­ spannung in eine Hochfrequenz-Wechselspannung hat zur Folge, daß die Lampe selbst in dem Übergangsbereich zwischen zwei Halbwellen der Versorgungsspannung nicht erlischt. Die Energie, die innerhalb einer Halbwelle der Versorgungsspannung auf die Lampe übertragen werden kann, ist erheblich größer als bei direkter Wechsel­ spannungsversorgung der Lampe, weil die äußeren Grenz­ bereiche der Halbwelle besser ausgenutzt werden.

Das erfindungsgemäße Wechselspannungs-Vorschaltgerät kann so betrieben bzw. eingestellt werden, daß prak­ tisch keine Oberwellen erzeugt werden, die durch Filte­ rung vom Netz ferngehalten werden müßten. Wenn die Ein­ stellung so vorgenommen ist, daß Oberwellen entstehen, so sind diese Oberwellen so hochfrequent, daß sie ohne großen Aufwand herausgefiltert werden können, so daß der Filteraufwand gegenüber einem Gleichspannungs-Vor­ schaltgerät erheblich reduziert ist.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild des Wechselspan­ nungs-Vorschaltgerätes,

Fig. 2 ein Diagramm der Schalterbetätigungen in Ab­ hängigkeit vom Verlauf der Versorgungsspannung, und

Fig. 3 verschiedene Diagramme der der Lampe zugeführ­ ten Leistung in Abhängigkeit von der Zeit.

Das in Fig. 1 dargestellte Vorschaltgerät enthält ein Tiefpaßfilter TP, das an die Leitungen L und N des Wechselspannungs-Versorgungsnetzes angeschlossen wird, an denen die Netzspannung U_N von z. B. 50 Hz und 230 V ansteht. Die Leitung N ist durch das Tiefpaßfilter TP hindurchgezogen.

An den Ausgang des Tiefpaßfilters TP ist die Reihen­ schaltung aus zwei elektronischen Schaltern S1 und S2 angeschlossen. Die Schalter S1 und S2 sind invers zu­ einander betrieben, d. h. wenn der Schalter S1 gesperrt ist, ist der Schalter S2 leitend, und wenn der Schalter S1 leitend ist, ist der Schalter S2 gesperrt.

An den Verbindungspunkt der beiden Schalter S1 und S2 ist die Induktivität L angeschlossen, die mit der Ent­ ladungslampe EL in Reihe geschaltet ist. Die Reihen­ schaltung aus Induktivität L und Entladungslampe EL ist dem zweiten Schalter S2 parallelgeschaltet.

Die Lampe EL ist eine Leuchtstofflampe, die zwei be­ heizbare Elektroden E1 und E2 mit jeweils zwei Elektro­ denanschlüssen aufweist. Die einen Elektrodenanschlüsse der Elektroden E1 und E2 sind durch einen dritten elek­ tronischen Schalter S3 miteinander verbunden, welcher die Lampe EL kurzschließen kann.

Sämtliche elektronischen Schalter S1, S2 und S3 werden von der Steuereinheit SE gesteuert, bei der es sich z. B. um einen Mikroprozessor handelt. Die Steuereinheit SE ist mit den Leitungen N und L verbunden und empfängt daher die jeweilige Amplitude der Versorgungsspannung U_N. Außerdem ist die Steuereinheit mit einer zu der Elektrode E1 führenden Leitung verbunden, so daß sie die Lampenspannung U_LA empfängt. Ferner kann die Steuereinheit mit einem Stromdetektor D verbunden sein, der den Lampenstrom mißt und der Steuereinheit ein ent­ sprechendes Signal zuführt.

Da das Vorschaltgerät sowohl positive als auch negative Halbwellen verarbeitet, müssen die Schalter S1, S2 und S3 bidirektionale Schalter sein, beispielsweise FETs, BIP-Transistoren oder IGBT-Transistoren (Isolated Gate Bipolar Transistor). In der Zeichnung sind die Schalter lediglich zur Vereinfachung des Verständnisses als mechanische Schalter dargestellt.

Fig. 2 zeigt die Art der Steuerung der verschiedenen elektronischen Schalter durch die Steuereinheit SE während einer Halbwelle der Versorgungsspannung U_N. An der Steuereinheit ist ein Grenzwert U_G an einer manuell zu betätigenden Verstelleinrichtung A eingestellt. So­ lange die Versorgungsspannung U_N kleiner ist als der Grenzwert U_G, ist der Schalter S1 leitend (Fig. 2b) und der Schalter S2 gesperrt (Fig. 2c). Wie Fig. 2d zeigt, wird in diesem Zustand der Schalter S3 mit hoher Frequenz abwechselnd ein- und ausgeschaltet. Diese Frequenz liegt in der Größenordnung von 30 bis 40 kHz. Während der Schalter S3 leitend ist, fließt über den leitenden Schalter S1 und die Induktivität L ein Strom durch den Schalter S3. Durch diesen Strom wird die Induktivität L aufgeladen. Wird der Schalter S3 an­ schließend gesperrt, so versucht die Induktivität L den Strom aufrechtzuerhalten, wobei der Spulenstrom dann über die Lampe EL fließt. Die Lampe wird also von hoch­ frequenten Stromimpulsen durchflossen, deren zeitlicher Abstand so klein ist, daß die Lampe zwischen zwei Impulsen nicht erlöschen kann. Die Lampenspannung U_LA erhält bei jedem Stromimpuls die für den Lampenbetrieb erforderliche Amplitude. Durch Änderung des Tastver­ hältnisses derjenigen Impulse, mit denen der Schalter S3 gesteuert wird, kann die Zeit der Aufladung der In­ duktivität L, und damit auch die Höhe der Aufladung und die Größe der für die Entladung zur Verfügung stehenden Energie, verändert werden.

In demjenigen Abschnitt, in dem die Netzspannung U_N größer ist als der Grenzwert U_G, wird der dritte Schal­ ter S3 gesperrt und der erste Schalter S1 und der zweite Schalter S2 werden mit Hochfrequenzsteuerung wechselseitig ein- und ausgeschaltet. Während der Schalter S1 leitend und der Schalter S2 gesperrt ist, fließt ein Strom über den Schalter S1, die Induktivität L und die Lampe EL. Wird anschließend der Schalter S1 gesperrt und der Schalter S2 leitend, so entlädt sich die Induktivität L über die Lampe EL und den Schalter S2. Die Frequenz der Impulse, mit denen die Schalter S1 und S2 in dem mittleren Abschnitt der Halbwelle der Versorgungsspannung gesteuert werden, beträgt ebenfalls 30 bis 40 kHz. Durch Änderung des Tastverhältnisses der Steuerimpulse kann auch in diesem Abschnitt die Energie beeinflußt werden, die bei jedem Impuls von der Netz­ spannung auf die Lampe übertragen wird.

Durch Änderung des Grenzwertes U_G durch Verstellung der Stellvorrichtung A kann die Aufteilung der einzelnen Abschnitte der Halbwelle der Versorgungsspannung ver­ ändert werden. Zweckmäßigerweise wird der Grenzwert etwa auf diejenige Amplitude eingestellt, bei der die Lampe ohne zusätzliche Energiezufuhr erlöschen würde.

Es ist auch möglich, einen Dimmbetrieb durchzuführen und die Lampenspannung U_LA auf einem bestimmten ge­ wünschten Wert einzuregeln. Da der Wert der Lampenspan­ nung U_LA der Steuereinheit zugeführt wird, kann die Steuereinheit so ausgebildet sein, daß sie das Tastver­ hältnis des Betriebs der Schalter S1, S2 und das Tast­ verhältnis des Betriebs des Schalters S3 so einstellt, daß sich eine gewünschte Lampenspannung U_LA (als Hoch­ frequenzspannung) konstant einstellt.

Es ist auch möglich, mit dem Stromdetektor D den Lampenstrom zu erfassen und die Regelung der Tastver­ hältnisse in der Weise durchzuführen, daß der Lampen­ strom konstant bleibt. Grundsätzlich ist der Lampen­ strom proportional zur Lampenspannung.

In den Diagrammen von Fig. 3 ist die Lampenleistung P_L in Abhängigkeit von der Zeit jeweils bei zwei Halbwel­ len der Versorgungsspannung dargestellt. Fig. 3a zeigt den Fall, der sich ergeben würde, wenn die Lampe ein ohmscher Widerstand wäre. Die Lampenleistung wäre dann U_LA ²/R wobei R den Lampenwiderstand darstellen würde. Man erkennt, daß die Lampenleistung innerhalb einer Periode der Versorgungsspannung starken Schwankungen ausgesetzt ist.

Fig. 3b zeigt diejenige Lampenleistung, die in den drei Bereichen einer Halbwelle der Versorgungsspannung über­ tragen werden kann, wenn das Ziel besteht, die Leistungsübertragung zeitlich möglichst gleichmäßig zu machen. Man erkennt, daß die auf die Lampe übertragene Leistung praktisch zeitlich konstant gemacht werden kann, wobei nur zwischen zwei aufeinanderfolgenden Halbwellen ein kurzzeitiger Einbruch B vorhanden ist, in dem die Lampe jedoch nicht erlischt.

Fig. 3c zeigt eine Form der Leistungskurve der Lampe, die, wenn sie an der Steuereinheit SE eingestellt ist, begrenzte, zulässige Oberwellen am Eingang des Vor­ schaltgerätes hervorruft.

Durch den Hochfrequenzbetrieb der Schalter wird er­ reicht, daß die Induktivität relativ klein sein kann, so daß hierfür eine kleine und leichtgewichtige Spule ausreicht. Die Zeit, in der die Induktivität L von Strom durchflossen ist und aufgeladen wird, also die Zeit der Ladeimpulse der Hochfrequenz, ist ein Maß für die Höhe derjenigen Spannung, die an der Lampe erzeugt wird, wenn die Induktivität L sich entlädt. Die Auf­ ladezeit kann durch Änderung des Tastverhältnisses der Hochfrequenzimpulse verändert werden. Wenn die Ampli­ tude der Versorgungsspannung klein ist, müssen die Auf­ ladeimpulse länger sein als bei großer Amplitude, um die gleiche Energie an der Lampe zur Verfügung zu stel­ len. Nach jeder Aufladung wird die Induktivität voll­ ständig entladen. Es besteht allerdings auch die Mög­ lichkeit, die Frequenz der Hochfrequenzsteuerung zu verändern, um dadurch diejenige Energie zu beeinflus­ sen, die in jeder Periode der Hochfrequenzsteuerung auf die Lampe übertragen wird.

Vorstehend wurde die Funktion der Steuereinheit SE bei stationärem Lampenbetrieb beschrieben. Die Steuerein­ heit steuert auch die Vorheiz- und Startphase. In der Vorheizphase ist der Schalter S3 leitend geschaltet, die Schalter S1 und S2 werden hochfrequent betrieben, so daß über die Lampenelektroden E1 und E2 ein Heiz­ strom fließt. Nach einer vorgegebenen Zeitspanne er­ folgt darauf die Zündphase. Hierbei wird der Schalter S3 bei leitendem ersten Schalter S1 abwechselnd in den leitenden und den gesperrten Zustand geschaltet. Da­ durch werden Burst-Impulse erzeugt, die die Lampe zünden.

Claims (9)

1. Wechselspannungs-Vorschaltgerät für elektrische Entladungslampen mit
einer an eine Versorgungswechselspannung an­ schließbaren Reihenschaltung aus einem ersten elektronischen Schalter (S1), einer Induktivi­ tät (L) und einer Entladungslampe (EL),
einem die Elektroden der Entladungslampe (EL) überbrückenden weiteren elektronischen Schalter (S3) und
einer die elektronischen Schalter (S1, S2, S3) steuernden Steuereinheit (SE),
dadurch gekennzeichnet
daß der erste elektronische Schalter (S1) mit einem die Reihenschaltung aus der Induktivität (L) und der Entladungslampe (EL) überbrückenden zweiten elektronischen Schalter (S2) in Reihe geschaltet ist, wobei der erste und der zweite Schalter (S1, S2) invers zueinander gesteuert sind, und
daß der weitere Schalter (S3) bei leitendem ersten Schalter (S1) innerhalb einer Halbwelle der Versorgungsspannung mehrfach ein- und aus­ geschaltet wird, solange die Amplitude der Ver­ sorgungsspannung einen Grenzwert (U_G) unter­ schreitet.

2. Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste und der zweite Schalter (S1, S2) bei gesperrtem weiterem Schalter (S3) innerhalb einer Halbwelle der Versorgungsspannung mehrfach ein- und ausgeschaltet werden, solange die Amplitude der Versorgungsspannung den Grenz­ wert (U_G) überschreitet.

3. Vorschaltgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (SE) den ersten und den zweiten Schalter (S1, S2) mit Impulsen einer vorgegebenen Frequenz steuert, wo­ bei das Tastverhältnis der Impulse veränderbar ist.

4. Vorschaltgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät den weiteren Schalter (S3) mit Impulsen einer vorgegebenen Frequenz steuert, wobei das Tastverhältnis der Impulse veränderbar ist.

5. Vorschaltgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (SE) eine Information über die Lampenspannung oder den Lampenstrom empfängt und das Tastverhältnis in der Weise verändert, daß die Lampenspannung bzw. der Lampenstrom einen vorgegebenen konstanten Wert annimmt.

6. Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (SE) den ersten und den zweiten Schalter (S1, S2) mit Impulsen veränderbarer Frequenz steuert.

7. Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (SE) den dritten Schalter (S3) mit Impulsen veränder­ barer Frequenz steuert.

8. Vorschaltgerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (SE) eine Information über die Lampenspannung oder den Lampenstrom empfängt und die Impulsfrequenz in der Weise verändert, daß die Lampenspannung bzw. der Lampenstrom einen vorgegebenen konstanten Wert annimmt.

9. Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (SE) in einer Vorheizphase den ersten und den weiteren Schalter (S1, S3) leitend schaltet und in einer Zündphase den weiteren Schalter (S3) bei leitendem ersten Schalter (S1) abwechselnd in den leitenden und den gesperrten Zustand schaltet.