DE4341809A1 - Vorrichtung zum Starten und Betreiben von Gasentladungslampen mit Gleichstrom und Energierückgewinnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft den Kalt- und Warmstart von Gasentladungslampen. Sie ermöglicht die Reihenschaltung von Gasentladungslampen. Die Summe aller Brennspannungen darf sich dem Scheitelwert der unteren Betriebsspannung nähern. Die bevorzugte Anwendung sind Niederdruck­ leuchtstofflampen.

Bei einfachen Vorschaltgeräten für Gasentladungslampen ergibt sich ein Widerspruch zwischen Brennspannung und Betriebsspannung der Gesamtschaltung. Diese Differenz belastet den Wir­ kungsgrad der Lampe bzw. beeinflußt die Startsicherheit. Dieser Widerspruch führt einmal zur Konstruktion von Hochfrequenz- oder Transformatorvorschaltgeräten mit gutem Wirkungsgrad und Drosselvorschaltgeräten mit einfachem Aufbau. Andere Vorschaltgeräte sind diesen Systemen im Wirkungsgrad meist unterlegen. Bekannte Gleichstromvorschaltgeräte ("Vorschaltgeräte und Schaltungen für Niederspannungsentladungslampen" Dr.-Ing. C. H. Sturm 5. neubearbeitete Auflage BROWN, BOVERI & CIE) müssen in vielen Komponenten nach Gesichtspunkten für die Startspannung dimensioniert werden, da keine scharfe Trennung zwischen Startspannung und Brennspannung erfolgt. Als sehr ähnlich müssen die US-Patente 4045710 und 4051411 angese­ hen werden. Ihr Nachteil ist, die nicht so scharfe Trennung der Startspannung.

Das Ziel der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad von Hochfrequenzvorschaltgeräten bei gleichzeitig einfacherer Struktur des Vorschaltgerätes zu erreichen bzw. zu überbieten. Hochfrequenzvor­ schaltgeräte besitzen einen (teils geregelten) AC-DC-Wandler und danach einen (teils geregelten) DC-AC-Wandler. Dieser DC-AC-Wandler darf im Bereich der Energieübertragung nicht unter Leerlaufbedingungen betrieben werden, da damit ein Hochfrequenzstörfeld entsteht, daß nicht mehr beherrschbar ist. Um eine ausreichende elektromagnetische Verträglichkeit zu erreichen, muß man sich dem Fall der Anpassung (mit all seinen Nachteilen beim Wirkungsgrad) nähern. Bei dem erfindungsgemäßen Vorschaltgerät wird so der prinzipielle Wirkungsgrad bei der Energieumwand­ lung verbessert (die Zahl der Umwandelungsstufen wurde verringert und der im Wirkungsgrad günstige Leerlaufbetrieb wird erreicht). Die elektromagnetische Verträglichkeit wurde verbessert, da keine Hochfrequenz das Gerät prinzipiell verläßt. Es ist nur mit einer Reststrahlung zu rechnen. Das Problem der Kataphorese wird hier nicht behandelt, da sie kein Bestandteil der Patentan­ sprüche ist.

Die Beschreibung der Einrichtung erfolgt anhand von Fig. 1. Eine Wechselstromquelle (1, 2), ein Brückengleichrichter (3-7) ein geschalteter Strom- oder Spannungsstabilisator (10-12) und eine Spannungsvervielfacherschaltung (13-20) werden zu einem Vorschaltgerät verbunden (8, 9), daß den Start und den Betrieb von Gasentladungslampen (21, 22) ermöglicht. Im Moment des Ein­ schalten speist der Stromstabilisator den Brennstrom in den Heizkreis, da der Starter 22 die Lampe über den Heizkreis kurzschließt. Nach dem Öffnen des Starters wird über die Spannungsver­ vielfacherschaltung innerhalb von 75% der Periodendauer der Frequenz der Betriebsspannung die Zündspannung aufgebaut. Erfolgt kein Warmstart, so kann sich die Startspannung bis zum Kaltstart aufbauen. Erfolgt kein Kaltstart, so hängt es vorn Starter ab, ob der Startvorgang wiederholt wird. Die Stromquelle und die Betriebsstromversorgung muß nur nach Kriterien der Brennspannung dimensioniert werden. Die Zeitkonstante von Netzfrequenz, Ladekondensator (7), Stabilisator (12) und Gasentladungslampe (21) wird so abgestimmt, daß die Gasentladungslampe im gesamten Betriebsspannungsbereich nicht verlischt. Es erfolgt so eine optimale Anpassung der Brennspannung einer einzelnen Lampe oder von Reihenschaltungen an die Netzspannung. Es muß nur die Differenz zwischen der Brennspannung und Eingangsspannung kompensiert werden. Die bei Schaltnetzteilen übliche Energierückgewinnung aus der Speicherdrossel sorgt für einen optimalen Wirkungsgrad. Die bei Hochfrequenzvorschaltgeräten übliche Transformation der Gesamtleistung findet nicht statt. Die Kabel außerhalb des Vorschaltgerätes führen keine Hochfrequenz, so daß eine gute elektromagnetische Verträglichkeit gewährleistet ist. Die Hochspannung zum Starten belastet nur die Elemente 8, 9, 13-22 der Schaltung. Im Beispiel wurde die Startspannung auf 4mal Spitzenspannung der Betriebsspannung festgelegt. Durch die Erweiterung bzw. Reduktion der Spannungsvervielfacherschaltung kann das Vorschaltgerät an unterschiedliche Startspannungen angepaßt werden.

Ein Ausführungsbeispiel für ein Kaltstartvorschaltgerät ist in der Fig. 2 dargestellt. Die Elemente 23-29 ergeben einen AC-DC- Wandler. Die Elemente 32-39 ergeben einen Spannungsvervielfacher mit hohem Innenwiderstand. Die Elemente 43-56 ergeben einen Stromstabilisator. Nach dem Zuschalten der Betriebsspannung schaltet der Stromstabilisator auf Durchgang. Es kommt zu keinem Stromfluß in der Kaltstartversion, da die gleichzeitig aktive Spannungsvervielfacherschal­ tung die Startspannung aufbaut (Bei Warmstart würde hier der Heizstrom bereitgestellt werden). Durch den Starthilfskondensator 40 bildet sich die Startspannung zum größten Teil an der Gasent­ ladungslampe 41 aus. Nach dem Zünden der Lampe 41 entsteht die Startspannung an der Lampe 42. Nach dem Zünden beider Lampen aus der Energie der Kondensatoren 38 und 39 gehen die Trenndioden 30 und 31 in den leitenden Zustand über. Der geschaltene Stromstabilisator liefert sofort Strom und begrenzt ihn auf den eingestellten Strom. Da der Stromstabilisator ein Schaltreg­ ler ist, erfolgt die Energierückspeisung in den Lampenstromkreis. Während dieser Zeit bleibt die Spannung am FET-Schalter auf die Scheitelspannung der Betriebsspannung beschränkt. Es können so relativ preisgünstige Elemente für den Schalter eingesetzt werden. Im Fall vorn Kurzschlüssen im Lampenstromkreis wird der Strom vorn Stromstabilisator begrenzt. Der belastete Spannungsver­ vielfacher speist seinen Strom ebenfalls in den Lampenstromkreis ein. Durch die CMOS-Struktur belastet der Stromstabilisator die Energiebilanz des Vorschaltgerätes gering.

Bezugszeichenliste

Fig. 1

1, 2 Eingang Betriebsspannung
3, 4, 5, 6 Dioden Brückengleichrichter (Brennspannung)
7 Ladekondensator Brückengleichrichter (Brennspannung)
8, 9 Dioden zur Trennung von Brennspannungs- und Zündspannungsgleichrichter
10 Speicherdrossel
11 Freilaufdiode zur Energierückgewinnung
12 Geschalteter Strom- oder Spannungsstabilisator zur Brennstromeinstellung
13, 14 Boosterkondensatoren Spannungsvervielfacher
15, 16, 17, 18 Dioden Spannungsvervielfacher
19, 20 Ladekondensatoren Spannungsvervielfacher
21 Gasentladungslampe
22 Starter Gasentladungslampe

Fig. 2

23, 24 Eingang Betriebsspannung
25, 26, 27, 28 Dioden Brückengleichrichter (Brennspannung)
29 Ladekondensator Brückengleichrichter (Brennspannung)
30, 31 Dioden zur Trennung von Brennspannungs- und Zündspannungsgleichrichter
32, 33 Boosterkondensatoren Spannungsvervielfacher
34, 35, 36, 37 Dioden Spannungsvervielfacher
38, 39 Ladekondensatoren Spannungsvervielfacher
40 Starthilfskondensator
41, 42 Gasentladungslampe
43 Speicherdrossel Stromstabilisator
44 Freilaufdiode Stromstabilisator
45 Schalter FET Stromstabilisator
46 Widerstand Stromversorgung Stromstabilisator
47 Kondensator Stromversorgung Stromstabilisator
48, 49, 50 Widerstand Strommessung Stromstabilisator
51 Kondensator Strommessung Stromstabilisator
52 Transistor Strommessung Stromstabilisator
53 Widerstand Strommessung Stromstabilisator
54, 55 CMOS-Schmitt-Trigger Stromstabilisator
56 Z-Diode Stromversorgung Stromstabilisator

Claims (8)

1. Die Vorrichtung zum Starten und Betreiben von Gasentladungslampen mit Gleichstrom und Energierückgewinnung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Wechselstromquelle (1, 2), ein Brückengleichrichter (3-7), ein geschalteter Strom- oder Spannungsstabilisator (10-12) und eine Spannungsvervielfacherschaltung (13-20) zu einem Vorschaltgerät verbunden (8, 9) werden, daß den Start (Kalt- und Warmstart) und den Betrieb von Gasentladungslampen (21, 22) ermöglicht.

2. Die Vorrichtung nach Patentanspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß der Strom- Spannungsstabilisator (12) und die Brennstromversorgung (3-7, 10, 11) nur nach Kriterien der Betriebsstromversorgung dimensioniert werden muß.

3. Die Vorrichtung nach Patentanspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante von Netzfrequenz, Ladekondensator (7), Stabilisator (12) und Gasentladungslampe (21) so abgestimmt wird, daß die Gasentladungslampe im gesamten Betriebsspannungsbereich nicht verlischt. Es erfolgt so eine optimale Anpassung der Brennspannung einer einzelnen Lampe oder von Reihenschaltungen an die Netzspannung.

4. Die Vorrichtung nach Patentanspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß nur die Differenz zwischen der Brennspannung und Betriebsspannung kompensiert werden muß. Die bei Schaltnetzteilen übliche Energierückgewinnung aus der Speicherdrossel sorgt für einen optimalen Wirkungsgrad.

5. Die Vorrichtung nach Patentanspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kabel außerhalb des Vorschaltgerätes keine Hochfrequenz führen, so daß eine gute elektromag­ netische Verträglichkeit gewährleistet ist.

6. Die Vorrichtung nach Patentanspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannung zum Starten nur die Elemente (8, 9, 13-22) der Schaltung belastet.

7. Die Vorrichtung nach Patentanspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (8, 9) Hochspannung zum Starten vorn Rest der Schaltung trennen.

8. Die Vorrichtung nach Patentanspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß der Rückschlagimpuls der Speicherdrossel sich nicht zur Sperrspannung des Halbleiterschalters addiert (ausgenommen kurze Impulse die durch das dynamische Sperrverhalten der Dioden 8, 9 und 11 bedingt sind). Die in den Ansprüchen genannten Elemente beziehen sich auf Fig. 1.