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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerschaltung, die das Anlegen
eines Hochfrequenz-Wechselspannungssignals zum Betreiben von Stromversorgungen
und Gasentladungslampen mit aktiver Leistungsfaktorkorrektur steuert.
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Aufgabenstellung
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Die
Aufgabenstellung besteht darin, auf dem Gebiet der elektronischen
Stromversorgungen und Gasentladungslampen-Vorschaltgeräte eine
kostengünstige
und einfache Steuerschaltung herzustellen, die alle Steuerungsfunktionen
bereitstellt, einschließlich
von aktiven Leistungsfaktorkorrekturen. Der typische Aufbau einer
elektronischen Gasentladungslampen-Schaltung ist dergestalt, dass
ein Hochfrequenz-Wechselstrom
zum Speisen der Schaltung verwendet wird. Die Nederfrequenz-50/60Hz-Eingangswechselspannungsquelle
wird zuerst durch einen Doppelweg-Gleichrichter in eine Gleichstromleistung
umgewandelt. Diese Gleichstromversorgung wird danach in eine Hochfrequenz-Wechselstromversorgung, üblicherweise
größer als
20 kHz, umgewandelt, um die Leistung für die Gasentladungslampe bereitzustellen.
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Nach
der Doppelweg-Gleichrichtung wird häufig ein großer Glättungskondensator
verwendet, um die Schwankungen in der Gleichspannung zu reduzieren.
Der von dem Glättungskondensator
gezogene Strom verursacht harmonische Verzerrungen in der Eingangs-Wechselspannungsleitung
zu Zeiten, wenn sich der Glättungskondensator
auflädt.
Die Ladezeit des Glättungskondensators
ist sehr klein, wenn ein großer
Glättungskondensator
verwendet wird und die gesamte erforderliche Ladung in einer kurzen
Zeitspanne in den Glättungskondensator
geladen wird. Dieses schnelle Laden des Glät tungskondensators zu Spitzen
von Sinus-Wechselspannungen ist die Ursache für harmonische Verzerrungen und
einen geringen Leistungsfaktor.
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Eine
Steuerschaltung, die den Betrieb der Gasentladungslampe steuert,
kann auch für
aktive Leistungsfaktorkorrekturen verwendet werden. Die Gasentladungslampen-Steuerschaltung
des US-Patentes Nr. 4,511,823 befasst sich mit diesen Aufgabenstellungen
und stellt Methoden für
aktive Leistungsfaktorkorrekturen bereit, erzeugt dabei jedoch einen
wesentlichen Betrag von elektromagnetischer Interferenz (EMI) und
speist diese Interferenz zurück zu
der Eingangsleistungsleitung. Die elektromagnetische Interferenz
wird durch die Verwendung eines Teiles der resonanten Schaltungsenergie
für aktive Leistungskorrekturen
verursacht. Indem eine große Induktionsspule
zu dieser Steuerschaltung hinzugefügt wird, kann das Interferenzproblem
begrenzt werden, jedoch bewirkt dies eine wesentliche Erhöhung von
Kosten und Platzbedarf. Somit ist diese Lösung nicht kostenwirksam, insbesondere
angesichts der Kostenempfindlichkeit von Gasentladungs-Vorschaltgeräten.
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US-A-6118225
beschreibt eine Schaltungsanordnung, die einen AC/DC-Wandler zum
Betreiben einer Lampe umfasst und eine Diode zum Verhindern von
Hochfrequenz-Stromfluss
zurück
zu der Wechselstromquelle beinhaltet. US-A-5995398 beschreibt eine
Stromversorgungsvorrichtung für
eine Gasentladungslampe, die einen AC/DC-Gleichrichter umfasst, um geglättete Gleichspannungs-Ausgangsspannung bereitzustellen.
Eine Rückführungsanordnung
ist beinhaltet, um eine Hochfrequenzleistung auf die Gleichspannungs-Ausgangsspannung
zu überlagern,
um die resultierende Leistung für
positive Spannungszyklen zu einem Glättungskondensator zurückzuführen. Der
Glättungskondensator
wird somit auf eine Spannung geladen, die im Wesentlichen gleich der
oder größer als
die Spitzen-Wechselspannung ist, um einen hohen Leistungsfaktor
zu erzielen.
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Lösung
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Die
oben beschriebenen Probleme und Aufgabenstellungen werden gelöst und ein
technischer Fortschritt wird durch die vorliegende Steuerschaltung
erzielt, die ein verbessertes Verfahren für Leistungsfaktor-Korrekturkennlinien
und geringes elektromagnetisches Rauschen bereitstellt. Diese neue Steuerschaltung
verwendet eine Un terdrückungsschaltung
für elektromagnetische
Interferenz, die aus einer in Reihe geschalteten Diode in einer
der Gleichspannungs-Eingangsleitungen von einem Doppelweg-Gleichrichter
und einem über
die Gleichspannungs-Eingangsleitungen von dem Doppelweg-Gleichrichter
angeschlossenen Kondensator besteht, um von der Leistungsfaktorschaltung
und der Gaslampen-Steuerschaltung erzeugte elektromagnetische Interferenz
zu beseitigen. Dies wird teilweise durch den Betrieb der in Reihe
geschalteten Diode erzielt, die Umkehrströme sperrt, wodurch Hochfrequenzstrom,
der in dem elektronischen Gerät vorliegt,
gehindert wird, durch den Doppelweg-Gleichrichter zurück zu der
Wechselspannungs-Eingangsleitung zu fließen. Zusätzlich hilft der Einsatz des
Kondensators an den Gleichspannungs-Eingangsleitungen, Hochfrequenzstrom
zu absorbieren, der an den Eingangsleistungen von dem Doppelweg-Gleichrichter
anliegt. Die Kosten dieser beiden Elemente sind gering im Vergleich
zu dem Einsatz einer Induktionsspule, und dennoch stellt ihre synergistische
Wirkung an den Eingangsleitungen eine wesentliche Reduzierung oder
Unterdrückung
der von der Leistungsfaktorkorrekturschaltung und der Gasentladungslampen-Steuerschaltung erzeugten
elektromagnetischen Interferenz bereit.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 veranschaulicht
die vorliegende Gasentladungslampen-Steuerschaltung und eine Umgebung,
in der diese betriebsfähig
ist.
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Die 2A bis 2C veranschaulichen
alternative Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Gasentladungslampen-Steuerschaltung und eine Umgebung,
in der diese betriebsfähig
sind.
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Die 3 und 4 veranschaulichen
Gasentladungslampen-Steuerschaltungen des Standes der Technik.
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5 ist
ein Wellenformdiagramm, das das Spannungssignal veranschaulicht,
das an der Gleichspannungs-Eingangsleitung anliegt, die eine positive
Spannung führt,
an der Verbindung des Eingangskondensators und der Diode aus den
Schaltungen von 3 und 4.
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6 ist
ein Wellenformdiagramm, das das Spannungssignal veranschaulicht,
das an der Gleichspannungs-Eingangsleitung anliegt, die eine positive
Spannung führt,
an der Verbindung des Eingangskondensators und der Diode aus 1 und 2.
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7 veranschaulicht
eine getrennte resonante Phasenumkehrschaltung.
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Die 8 bis 11 veranschaulichen
verschiedene Lastverbindungen, die mit der getrennten resonanten
Phasenumkehrschaltung aus 7 verwendet
werden können;
und
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12 veranschaulicht
eine Variante der getrennten resonanten Phasenumkehrschaltung aus 7,
wobei zwei Klemmdioden zu dem Resonanzkondensator hinzugefügt werden.
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Ausführliche
Beschreibung
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Der
Ausdruck Leistungsfaktor stellt eine Phasenbeziehung zwischen einer
Wechselspannungs-Eingangsspannung und einem Strom dar. Mathematisch
gesehen ist der Leistungsfaktor (PF) proportional zu dem Kosinus
(cos) des Phasenwinkels (x) zwischen der Eingangsspannung (V) und
dem Strom-(I)-Sinussignal oder PF = VI cos x. Um den aus der Wechselspannungsleitung
gezogenen Spitzenstrom zu senken, ist es wünschenswert, den Leistungsfaktor
möglichst
nahe an Eins zu halten. Der Leistungsfaktor Eins wird erzielt, wenn
die Eingangsspannung und der Eingangsstrom zueinander in Phase sind.
Ein weiterer Gesichtspunkt bei Leistungskreisen ist die Gesamtverzerrung
(THD), die die Form der Eingangsstrom-Wellenform betrifft, wenn der
Strom durch die elektronischen Geräte aus der Wechselspannungsleitung
gezogen wird. Die Oberwellen werden reduziert, wenn die Leistung
sinusförmig
aus der Wechselspannungsleitung gezogen wird.
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Die
gegenwärtigen
Anforderungen der Stromerzeuger sind ein hoher Leistungsfaktor und geringe
Gesamtverzerrung, welche herkömmlich durch
Einsatz eines Verstärkungsumformers
erzielt werden. Leistungsfaktorkorrekturen mittels der Verstärkungsumformertechnik
und mittels der in dem US-Patent Nr. 4,511,823 beschriebenen Verfahren sind
jedoch kostspielig und erfordern mehr Platz.
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Resonanzschwingkreisbetrieb
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Eine
Möglichkeit,
aktive Leistungsfaktorkorrektur zu erzielen, ist der Einsatz eines
Resonanzschwingkreises, der aus einer Reihenschaltung einer Induktionsspule
LR und eines Kondensators CR besteht. Um den Resonanzschwingkreis
betriebsfähig zu
machen, wird dieser durch Leistungsschalter zwischen der Plusseite
und der Minusseite einer Gleichspannungsquelle geschaltet. Wenn
die Schaltfrequenz des Kreises gleich der natürlichen Kommutierungsfrequenz
der Reihenschaltung aus Induktionsspule LR und Kondensator CR ist,
bilden diese einen Resonanzschwingkreis.
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Wichtige
Merkmale eines Resonanzumrichters sind unter anderem Nullspannung-
oder Nullstromschalten von Leistungsschaltern, sinusförmiger Stromfluss
in den Resonanzschwingkreis, automatische Zündspannungserzeugung für Gasentladungslampen
u.s.w. Ein Blockschaltbild eines getrennten Resonanzumrichters wird
in 7 gezeigt, wobei der Brückengleichrichter 1 eine
Eingangs-Wechselspannung gleichrichtet, um eine Gleichspannung zu
erzeugen, die an einen Filterkondensator 2 angelegt wird.
Die Steuerschaltung 3 erzeugt alternierende Ansteuerimpulse,
um die Leistungsschalter 4, 5 zu betreiben. Die
Elemente D1 und D2 sind Fangdioden. Die Elemente 6 und 7 sind
die Resonanz-Induktionsspule und der Resonanzkondensator, die einen
Parallelresonanzkreis oder Tankkreis bilden. Wenn die Ansteuerimpulse
von der Steuerschaltung 3 die Leistungsschalter 4 und 5 ergänzend und
mit der Rate, deren Frequenz gleich der natürlichen Kommutoerungsfrequenz
der Resonanz-Induktionsspule 6 und des Resonanzkondensators 7 ist,
ein- und ausschalten, fließt
positiver Strom in den Tankkreis. Dann öffnet der Schalter 4 und
der Schalter 5 schließt,
wodurch negativer Stromfluss in den Tankkreis verursacht wird. Unter
Resonanzbedingungen ist der Blindwiderstand der Resonanz-Induktionsspule 6 gleich
und entgegengerichtet zu dem kapazitiven Scheinwiderstand des Resonanzkondensators 7 in dieser
Schaltung. Daher heben sich diese Widerstände gegenseitig auf.
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Der
Tankkreis, der aus der Resonanz-Induktionsspule 6 und dem
Resonanzkondensator 7 besteht, kann verwendet werden, um
eine Last 9 oder einen Hochfrequenztransformator 10 auf
verschiedene Arten anzusteuern. Die Sekundärseite des Hochfrequenztransformators
kann in solchen Anwendungen eingesetzt werden, wie zum Beispiel
das Ansteuern einer Gasentladungslampe, oder zum Bereitstellen einer
Einzel stromquelle für
eine Gleichspannungsstromversorgung. Einige bekannte Beispiele verschiedener
Resonanzumrichteranordnungen werden in den 8, 9, 10 und 11 gezeigt. In
den 8 und 10 ist der Kondensator 8 ein Gleichspannungs-Sperrkondensator.
Es ist zu beachten, dass es zahlreiche Varianten für das Speisen eines
Transformators 10 oder anderer Arten von Lasten 9 (wie
zum Beispiel einer Gasentladungslampe) zu einem Resonanzschwingkreis
gibt und dass die in den 8 bis 11 gezeigten
einfache Beispiele sind. Wenn eine Last 9 oder ein Transformator 10 parallel
zu dem Resonanzkondensator 7 geschaltet wird, wie in den 8 und 10 gezeigt
wird, wird dies oft als Parallelresonanzanordnung bezeichnet. Wenn
hingegen eine Last 9 oder ein Transformator 10 in
Reihe mit dem Resonanzkondensator 7 geschaltet wird, wie
dies in den 9 und 11 gezeigt
wird, wird dies oft als Reihenresonanzanordnung bezeichnet. In einer
Parallelresonanzanordnung fließt
ein Teil des Resonanzstromes in die Last. In der Reihenresonanzanordnung
fließt
der gesamte Resonanzstrom durch die Last.
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12 ist
eine Variante von 7, wobei zwei Klemmdioden 13 und 14 zu
dem Resonanzkondensator 7 hinzugefügt werden. Die Diode 14 klemmt den
negativen Teil der Spannung, der gleich dem Schaltungs-Erdpotential
ist. Wie bereits beschrieben worden ist, ist der Gesamtwiderstand
eines Tankkreises gleich Null. Daher wäre die Spannung, die sich über den
Resonanzkondensator 7 ohne diese Klemmdioden 13, 14 entwickeln
würde,
enorm groß. Die
einzigen begrenzenden Faktoren sind die Q-Werte der Resonanz-Induktionsspule 8 und
des Resonanzkondensators 7. Faktisch wird diese besondere Eigenschaft
einer Resonanzschaltung oft verwendet, um eine Gasentladungslampe
zu zünden.
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Gasentladungslampen-Steuerschaltungen
des Standes der Technik
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Die 3 und 4 veranschaulichen
Gasentladungslampen-Steuerschaltungen des Standes der Technik nach
dem US-Patent Nr. 4,511,823, und 5 ist ein
Wellenformdiagramm, das das Spannungssignal veranschaulicht, das
an der Gleichspannungs-Eingangsleitung anliegt, die eine positive Spannung
führt,
an der Verbindung des Eingangskondensators und der Diode der Schaltungen
aus den 3 und 4. Der besseren Übersichtlichkeit wegen
werden die 15 und 6 des
US-Patentes Nr. 4,511,823 als die 3 und 4 in
dieser Schrift dargestellt und gleiche Elemente werden in den 3 und 4 mit
den gleichen Verweisziffern bezeichnet. Diese Schaltungen verwenden
die oben unter Bezugnahme auf die Resonanzumrichter beschriebenen
Konzepte.
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Eine
Wechselspannungsquelle wird verwendet, um den Gasentladungslampenkreis
zu speisen. Die Wechselspannung wird durch einen Brückengleichrichter 68 in
eine Gleichspannung umgerichtet, welche an ein Paar Gleichspannungs-Eingangsleitungen 69, 70 angelegt
wird, wobei die Gleichspannungs-Eingangsleitung 69 eine
positive Polarität führt und
die Gleichspannungs-Eingangsleistung 70 eine negative Spannung
führt.
Ein Glättungskondensator 72 ist über das
Paar Gleichspannungs-Eingangsleitungen 69, 70 angeschlossen
und stellt eine Glättungsfunktion
bereit, wobei Spannungsschwankungen aus der an dem Paar Gleichspannungs-Eingangsleitungen 69, 70 anliegenden
Gleichspannung entfernt werden. Herkömmliche Hochfrequenz-Schaltvorrichtungen 73, 75 legen
Hochfrequenz-Wechselstrom an eine Ausgangsleitung 74 an,
die verwendet wird, um die damit verbundene Last zu speisen. Die
Hochfrequenz-Schaltvorrichtungen 73, 75 werden
durch einen herkömmlichen Schaltsteuerkreis
(nicht gezeigt) angesteuert, der die Zündsignale erzeugt, die zum
Ansteuern der Schaltvorrichtungen 73, 75 genutzt
werden. Rufstromdioden 76, 77 sind über die
Schaltvorrichtungen 73, 75 angeschlossen. Die
Ausgangsleitung 74 steuert eine Reihenresonanzschaltung
an, die eine Induktionsspule 78 und eine Gasentladungslampe 79 umfasst. Diese
Resonanzschaltungslast ist über
Steuerkondensatoren 80 und 90 mit einer positiven
Eingangsleitung beziehungsweise einer negativen Eingangsleitung 69 beziehungsweise 70 verbunden.
Somit bilden die Elemente 76 bis 80, 90 einen
Reihenresonanz-Tankkreis wie oben beschrieben. Die Diode 71 und
der Glättungskondensator 72 ermöglichen,
dass dieser Reihenresonanz-Tankkreis einen hohen Leistungsfaktor
erzielt.
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Das
Spannungssignal, das an der Wechselspannungs-Eingangsleitung an
der Verbindung des Eingangskondensators 80 und der Diode 71 anliegt, enthält einen
wesentlichen Betrag an Hochfrequenzrauschen, wie in 5 gezeigt
wird, wobei die Wechselspannungs-Eingangsleitungsspannung in Abhängigkeit
von der Zeit dargestellt wird. Wie aus der 5 ersichtlich
ist, werden wesentliche Hochfrequenzkomponenten 43 auf
die gleichgerichtete Wechselspannungs-Hauptfrequenz 42 überlagert. Die
Hochfrequenzkomponenten 43 fließen zurück in die Eingangs-Wechselspannungsleitung
und erzeugen ein Problem elektromagnetischer Interferenz. Dieses
Problem kann durch Hinzufügen
einer Induktionsspule 41 und eines Kondensators 40 behoben werden,
wie in 4 gezeigt wird. Die zusätzlichen Kosten dieser Elemente
und der Platzbedarf für
dieselben machen diese Lösung
jedoch unakzeptabel. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Größe der Induktionsspule
in Beziehung zu der Last steht, die angesteuert wird, und bei den
meisten Anwendungen sind diese Größe und diese Kosten erheblich.
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Grundkomponenten
einer verbesserten Gasentladungslampen-Steuerschaltung
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1 veranschaulicht
die vorliegende Gasentladungslampen-Steuerschaltung 100 und
eine Umgebung, in der diese betriebsfähig ist, und die 2A bis 2C veranschaulichen
alternative Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Gasentladungslampen-Steuerschaltung 200 und
eine Umgebung, in der diese betriebsfähig ist. Der besseren Übersichtlichkeit
wegen werden gleiche Elemente in den 1, 2A bis 2C mit
den gleichen Verweisziffern bezeichnet.
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Es
ist das Ziel dieser Gasentladungslampen-Steuerschaltung 100,
einen hohen Leistungsfaktor zu erzielen, indem Teil von Tankkreisenergie
verwendet wird. Ein weiteres Ziel dieser Gasentladungslampen-Steuerschaltung 100 besteht
darin, zu verhindern, dass Hochfrequenzkomponenten zurück in die
Eingangs-Wechselspannungsleitung fließen, ohne dass eine sperrige
und kostspielige Induktionsspule hinzugefügt wird. Wie in den 1, 2A bis 2C gezeigt
wird, wird eine Wechselspannungsquelle verwendet, um die Gasentladungslampen-Schaltung
zu speisen. Die Wechselspannung wird durch einen Brückengleichrichter
R in eine Gleichspannung (DC) umgewandelt, die an ein Paar Gleichspannungs-Eingangsleitungen
DC1, DC2 angelegt wird, wobei die Gleichspannungs-Eingangsleitung
DC1 eine positive Polarität
führt und
die Gleichspannungs-Eingangsleitung DC2 eine negative Spannung führt. Eine
Basis-Steuerschaltung BC ist über
das Paar Gleichspannungs-Eingangsleitungen DC1, DC2 angeschlossen.
Diese Basis-Steuerschaltung BC umfasst einen Glättungskondensator C4, der über das
Paar von Gleichspannungs-Eingangsleitungen DC1, DC2 angeschlossen
ist und eine Glättungsfunktion
bereitstellt, wobei Spannungsschwankungen aus der an dem Paar von
Gleichspannungs-Eingangsleitungen DC1, DC2 anliegenden Gleichspannung
entfernt werden. Herkömmliche Hochfrequenz-Schaltvorrichtungen
S1, S2 stellen einen Hochfrequenz-Wechselstrom an eine Ausgangsleitung
PS bereit, die genutzt wird; um die daran angeschlossene Last zu
speisen. Die Hochfrequenz-Schaltvorrichtungen S1, S2 werden durch eine
herkömmliche
Schaltungs-Steuerschaltung SC angesteuert, welche die Zündsignale
erzeugt, die zur Ansteuerung der Schaltvorrichtungen S1, S2 verwendet
werden. Die Klemmdioden D3, D4 sind über die Schaltvorrichtungen
S1, S2 angeschlossen.
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Die
Basis-Steuerschaltung BC ist eine Variante des Resonanzkreises aus 7.
Faktisch ist es diese einfache Variante, die die Leistungsfaktorkorrektur
erzielt und gleichzeitig Hochfrequenzstrom daran hindert, zurück in die
Eingangs-Wechselspannungsleitung
zu fließen.
Im Gegensatz zu dem Resonanzkreis aus 7 ist der
Resonanzkondensator CR zwischen der Resonanz-Induktionsspule LR
und der Verbindung der Dioden D1 und D2 angeschlossen. In 7 war
dieser Resonanzkondensator 7 zwischen der Resonanz-Induktionsspule 7 und
der Schaltungserde angeschlossen. In der vorliegenden Schaltung
kann aufgrund der Ausrichtung der Diode D2 nur der positive Teil
der Resonanzspannung, die sich an der Verbindung des Resonanzkondensators CR
entwickelt, den Filterkondensator C4 erreichen. Die Diode D1 verhindert,
dass Hochfrequenzstrom zurück
in die Eingangs-Wechselspannungsleitung fließt. Die Aufgabe des Kondensators
C1 ist es, Hochfrequenzkomponenten weiter zu unterdrücken. Durch
Versuche wurde festgestellt, dass, um den Leistungsfaktor Eins zu
erreichen, der Wert des Kondensators C3 fast gleich dem Wert des
Resonanzkondensators CR sein muss.
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In
einem unbelasteten Zustand kann die Resonanzspannung, die sich über den
Kondensator C3 aufbaut, weitaus größer sein als die Eingangs-Spitzenwechselspannung.
Die höhere
Spannung erhöht wiederum
die Spannung an dem Glättungskondensator
C4 auf ein höheres
Niveau als die Eingangs-Spitzenwechselspannung.
Der Spannungsanstieg kann mittels eines Pulsweitenmodulationsverfahrens
oder durch Erhöhen
der Umrichter-Betriebsfrequenz über
die Resonanzfrequenz begrenzt werden. Diese können erzielt werden, indem
die Programmierungs- und
Rückführungsmöglichkeiten
der Schaltungs-Steuerschaltung SC genutzt werden. Nur eine Steuerschaltung
SC ist erforderlich, um die meisten dieser Funktionen auszuführen. Da
Umrichterlastregelungen üblicherweise
entweder mittels der Pulsweitenmodulation oder mittels Frequenzänderungsverfahren
erzielt werden, können
dieselben faktisch für
Lichtstärkesteuerung
verwendet werden, das heißt
für das
Dimmen einer Gasentladungslampe.
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Die
Spannung, die an dem Kondensator C1 anliegt, besteht aus gleichgerichteten
Sinuskurven. Diese Spannungsquelle wirkt als eine veränderliche Klemmquelle
für die
Hochfrequenz-Kommutierungsspannung, die sich an der Verbindung der
Kondensatoren CR und C3 aufbaut. Normalerweise, wenn eine externe
Gleichspannungsquelle an den Filterkondensator C4 angelegt wird,
wird die an dem Kondensator C3 anliegende Spannung auf etwa gleich
der Größe der angelegten
Gleichspannung geklemmt. Da jedoch die Eingangs-Wechselspannung,
die an dem Kondensator C1 anliegt, gleichgerichtete Sinuswellen
ist, folgen die Klemmgrößen den
sinusförmigen Spannungsausschlägen. Anders
ausgedrückt,
ist in dem Moment, in dem die Sinusspannung minimal ist, die Spannung,
die an dem Kondensator C3 anliegt, etwa gleich dem Gleichspannungspegel,
der an dem Filterkondensator C4 anliegt. Andererseits ist die Spannung
an dem Kondensator C3 in dem Moment, in dem die Sinusspannung ihren
Spitzenwert aufweist, etwa gleich der Gleichspannung an dem Filterkondensator
C4 abzüglich
der Eingangs-Spitzensinusspannung. Weiterhin treten diese sinusförmigen Spannungsausschläge mit der
Rate der Eingangs-Wechselspannungsleitungs-Frequenz auf. Daher ist
der Strom, der aus dem Stromversorgungsnetz gezogen wird, sinusförmig und
synchron zu der Leitungsfrequenz. Im Idealfall ist dieser Phasenunterschied
zwischen Strom und gezogener Spannung gleich Null. Wie weiter oben
bereits ausgeführt
worden ist, sind dies die Bedingungen für das Erzielen eines hohen
Leistungsfaktors und geringer harmonischer Verzerrung. Indem die
Komponentenwerte in einem gegebenen Lastzustand geeignet ausgewählt werden,
kann das erfindungsgemäße Verfahren
einen Leistungsfaktor von 0,99 und eine harmonische Gesamtverzerrung
von weniger als zehn Prozent ergeben.
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Das
Verfahren zum Erzielen eines hohen Leistungsfaktors und geringer
harmonischer Verzerrungen unter Verwendung der Verfahren der hier
vorliegenden Erfindung ist in der Tat ein einfacher, jedoch sehr
vorteilhafter Ansatz, da die gleiche Schwingkreisschaltung, die
eine Last speist, auch für aktive
Leistungsfaktorkorrekturen verwendet werden kann. Daher bleibt der
Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung hoch und eine Vergrößerung des
Leiterplattenabstandes ist nicht mehr erforderlich. Indem weiterhin
eine zusätzliche
Diode zwischen dem Wechselspannungsgleichrichter und der einge fangenen
Resonanzkreisenergie platziert wird, verhindert die vorliegende
Erfindung weiterhin das Zurückfließen von
Hochfrequenzstrom in die Eingangs-Wechselspannungsleitung.
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Betrieb der
Basiskomponenten der Steuerschaltung
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Die
Basis-Steuerschaltung BC der Gasentladungs-Steuerschaltung arbeitet
auf die hinlänglich bekannte
Art und Weise, um die von dem Doppelweg-Gleichrichter R erzeugte
Gleichspannung in Ansteuersignale umzuwandeln, die an die Ausgangsleitung
PS angelegt werden, um eine Gasentladungslampe anzusteuern, um die
Beleuchtung von der Gasentladungslampe zu erzeugen. Die Gasentladungslampen-Last
kann auch durch einen Hochfrequenztransformator ersetzt werden,
um Inselstrom zu einer Gasentladungslampe oder zu dem Gleichrichter
einer Gleichspannungsstromversorgung bereitzustellen. Die folgende
Beschreibung charakterisiert allgemein den Betrieb der Resonanzkreis-Last, die
an die Ausgangsleitung PS angeschlossen ist. Der Betrieb der Basis-Steuerschaltung
BC wird in einer Vielzahl von Betriebszyklen beschrieben, die der Reihe
nach auftreten und danach wiederholt werden, wenn der Strom in Impulsen
an die Gasentladungslampe angelegt wird.
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Der
Schalter S1 schaltet für
einen Zeitraum ein, der etwa gleich der Hälfte der Resonanzumrichter-Betriebsfrequenz
ist. Der Schalter S2 schaltet ebenfalls für einen ähnlichen Zeitraum ein. Die
Schalter S1 und S2 schalten jedoch nicht zur gleichen Zeit ein.
Während
S1 eingeschaltet ist, verbleibt S2 im ausgeschalteten Zustand, und
umgekehrt. Um weiterhin sogenannte Cross-conduction zwischen diesen
beiden Schaltern zu vermeiden, gibt es eine voreingestellte Totzeit,
während
der sich keiner der Schalter in einem eingeschalteten Zustand befindet. Während der
positiven Hälfte
der Eingangswellenform, wenn S1 durch den Schaltungs-Steuerkreis
SC eingeschaltet wird, existiert ein einzelner Strompfad von der
positiven Spannung, die in der Gleichspannungs-Eingangsleitung DC1 geführt wird,
durch die Resonanzkreis-Last RC. Wenn S1 abschaltet und bevor S2
einschaltet kehrt sich der Strom in der Induktionsspule LR auf negative
Polarität
um, was wiederum Flyback-Induktionsspulenspannung verursacht. Die
Diode D4 klemmt diese Flybackspannung auf ein Potential gleich dem
Potential von DC. Wenn der Schalter S2 ausgeschaltet ist und bevor
der Schalter S1 einschaltet kehrt sich der Strom in der Induktionsspule
LR auf positive Polarität
um. Die Diode D3 klemmt die Induktionsspulen-Flybackspannung auf
ein Potential, das gleich dem der Spannung des Glättungskondensators
C4 ist.
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Wenn
die Schaltungs-Steuerschaltung SC die Schaltvorrichtung S1 einschaltet,
richtet sie einen Entladungsweg von dem Glättungskondensator C4 durch
die Schaltvorrichtung S1 durch die Resonanzkreis-Last RC ein, um
den Steuerkondensator C3 aufzuladen, sowie danach entlang der Gleichspannungs-Eingangsleitung
DC2 negativer Spannung und zurück
zu dem Glättungskondensator
C4. Während
dieser Zeit bewirkt das Laden des Steuerkondensators C3 in Reihe
mit der resonanten Schaltkreislast RC, dass sich die Spannung der
resonanten Schaltkreislast RC erhöht, und sobald die Spannung über die
resonante Schaltkreislast RC größer ist
als die über
den Steuerkondensator C3 plus dem Diodenabfall der Diode D2, entlädt sich
der Steuerkondensator C3 durch die Diode D2, die Schaltvorrichtung
S1 und die resonante Schaltkreislast RC, um zu sich selbst zurückzukehren.
Während
des negativen Halbzyklus, wenn S2 eingeschaltet ist, wird eine negative
Spannung über
den Steuerkondensator C3 aufgebaut. Wie weiter oben bereits beschrieben
worden ist, wird diese negative Spannung durch durch die Eingangssinuskurve,
die über
den Kondensator C1 anliegt, geklemmt.
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Dieser
Zyklus wiederholt sich, wenn die Schaltungs-Steuerschaltung SC die
Schaltungsvorrichtungen S1 und S2 wie oben beschrieben ein- und ausschaltet.
Dieser Betrieb der Basiskomponenten der Gasentladungslampen-Steuerschaltung
ist bekannt. Wie weiter oben jedoch angemerkt wurde, bewirkt der
Channelling-Teil der Energie von dem Lampen-Resonanzkreis zum Zweck
der aktiven Leistungsfaktorkorrektur die Erzeugung eines wesentlichen
Betrages an elektromagnetischer Interferenz. Das Hinzufügen verschiedener
Unterdrückungsschaltungen
für elektromagnetische
Interferenz zu der oben beschriebenen Schaltung verbessert die Leistungsfähigkeit
wesentlich, ohne dass eine wesentliche Kostensteigerung gegenüber der
oben beschriebenen Basisschaltung eintritt. Zusätzlich bewirkt die Umgestaltung
der resonanten Schaltkreislast RC wie in 1 gezeigt
eine verbesserte Leistungsfähigkeit.
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Erstes Ausführungsbeispiel
der Gasentladungslampen-Steuerschaltung
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In
einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Gasentladungslampen-Steuerschaltung 100 wie in 1 gezeigt
steuert die Ausgangsleitung PS eine Rei henparallel-Resonanzschaltung
RC an, die eine Induktionsspule LR und einen Kondensator CR in Reihe
in einem ersten Schaltungszweig der Resonanzschaltung RC und in
Reihe mit einer Gasentladungslampe, einem Kondensator CB1 und einem
Widerstand RS1 in einem zweiten Schaltungszweig der Resonanzschaltung
umfasst. Der erste Schaltungszweig dieser Reihenparallel-Resonanzschaltung
RC ist mit der positiven Eingangsleitung DC1 und der negativen Eingangsleitung
DC2 verbunden. Der zweite Schaltungszweig der Reihenparallel-Resonanzschaltung
RC ist direkt mit der Gleichspannungs-Eingangsleitung DC2 negativer
Polarität verbunden.
Diese Steuerschaltung verwendet eine Unterdrückungsschaltung für elektromagnetische
Interferenz, die aus einer in Reihe geschalteten Diode D1 in einer
der Gleichspannungs-Eingangsleitungen von
dem Doppelweg-Gleichrichter R und einem Kondensator C1 besteht,
der über
die Gleichspannungs-Eingangsleitungen DC1, DC2 von dem Doppelweg-Gleichrichter R verbunden
ist, um elektromagnetische Interferenz zu beseitigen, die von der
Gasentladungslampen-Schaltung erzeugt wird, die aus der Gasentladungslampe
und ihrer zugehörigen Steuerschaltung
besteht. Dies wird teilweise durch den Betrieb der in Reihe geschalteten
Diode D1 erzielt, die Umkehrströme
sperrt, wodurch in der Gasentladungs-Steuerschaltung anliegende
Hochfrequenz daran gehindert wird, durch den Doppelweg-Gleichrichter
R in die Wechselspannungs-Eingangsleitung zurückzufließen. Zusätzlisch hilft der Einsatz des
Kondensators C1 an der Gleichspannungs-Eingangsleitung DC1, DC2, Hochfrequenzstrom
zu absorbieren, der an den Eingangsleitungen DC1, DC2 von dem Doppelweg-Gleichrichter
R anliegt. Die Kosten und die Größe dieser
beiden Elemente sind gering im Vergleich zu dem Einsatz einer Induktionsspule,
und dennoch erzielt ihre synergistische Wirkung auf die Gleichspannungs-Eingangsleitungen
DC1, DC2 eine wesentliche Unterdrückung der elektromagnetischen
Interferenz, die durch die Gasentladungslampe und ihre zugehörige Steuerschaltung
erzeugt wird.
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Die
Reihenparallel-Resonanzschaltung RC wird über den Sperrkondensator CB1
und den Strommesswiderstand RS1 zu der negativen Seite der Gleichspannungs-Eingangsleitung DC2
zurückgeführt. Der
Strommesswiderstand RS1 dient der Messung des Gesamtlampenstromes.
Der Schwingkreisstrom, der in den Resonanzkondensator RC fließt, fließt nicht
in die Reihenparallel-Resonanzschaltung RC. Die Messung des Gesamtlampenstromes
ist wichtig für
ein einwandfreies Zünden
der Lampe, den Lampenbetrieb und das Erkennen des Endes des Lampenlebensdauer.
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Zweites Ausführungsbeispiel
der Gasentladungslampen-Steuerschaltung
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In
einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Gasentladungslampen-Steuerschaltung 200 wie in
den 2A bis 2C gezeigt
steuert die Ausgangsleitung PS einen Reihenresonanzkreis RC an,
der eine Induktionsspule LR umfasst, die in Reihe mit einem parallel
geschalteten Kondensator CR und der Gasentladungslampe verbunden ist.
Diese Reihenresonanzschaltung RC ist mit der positiven Eingangsleitung
DC1 und der negativen Eingangsleitung DC2 verbunden. Diese Steuerschaltung
verwendet eine Unterdrückungsschaltung
für elektromagnetische
Interferenz, die aus einer in Reihe geschalteten Diode D1 in einer
der Gleichspannungs-Eingangsleitungen von dem Doppelweg-Gleichrichter
R und einem Kondensator C1 besteht, der über die Gleichspannungs-Eingangsleitungen
DC1, DC2 von dem Doppelweg-Gleichrichter R verbunden ist, um elektromagnetische
Interferenz zu beseitigen, die durch die Gasentladungslampen-Schaltung
erzeugt wird, die aus der Gasentladungslampe und ihrer zugehörigen Steuerschaltung besteht.
Dies wird teilweise durch den Betrieb der in Reihe geschalteten
Diode D1 erzielt, die Umkehrströme
sperrt, wodurch in der Gasentladungs-Steuerschaltung anliegender Hochfrequenzstrom
daran gehindert wird, durch den Doppelweg-Gleichrichter R in die
Wechselspannungs-Eingangsleitung zurückzufließen. Zusätzlich hilft der Einsatz des
Kondensators C1 an der Gleichspannungs-Eingangsleitung DC1, DC2,
Hochfrequenzstrom zu absorbieren, der an den Eingangsleitungen DC1,
DC2 von dem Doppelweg-Gleichrichter R anliegt. Die Kosten und die
Größe dieser
beiden Elemente sind gering im Vergleich zu dem Einsatz einer Induktionsspule,
und dennoch erzielt ihre synergistische Wirkung auf die Gleichspannungs-Eingangsleitungen
DC1, DC2 eine wesentliche Unterdrückung der elektromagnetischen
Interferenz, die von der Gasentladungslampe und ihrer zugehörigen Steuerschaltung
erzeugt wird.
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6 ist
ein Wellenformdiagramm, das das Spannungssignal veranschaulicht,
das an der Gleichspannungs-Eingangsleitung anliegt, die eine positive
Spannung führt,
an der Verbindung des Eingangskondensators und der Diode der Schaltungen aus
den 1, 2A bis 2C. Jedoch
wird das Spannungssignal, das an der Gleichspannungs-Eingangsleitung an
der Verbindung des Eingangskondensators C1 und der Diode D1 anliegt,
in 5 als eine Funktion der Zeit dargestellt. Wie
aus 5 ersichtlich ist, sind die Hochfrequenzkomponenten 43, die
auf die gleichgerichtete Wechselspannungs-Hauptfrequenz 42 überlagert
werden, weitaus kleiner als in dem System des Standes der Technik. Die
Hochfrequenzkomponenten 43 fließen nicht zurück in die
Wechselspannungs-Eingangsleitung und erzeugen ein Problem elektromagnetischer
Interferenz wie bei dem Stand der Technik.
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2B zeigt
eine Inselstromversorgung für die
Gasentladungslampe, welche eine Leuchtstofflampe sein kann. Vor
der Zündung
der Lampe ist Spannung, die sich an der Sekundärwicklung des Transformators
T aufbaut, weitaus größer, wodurch die
Zündung
der Lampe bewirkt wird. Nachdem die Lampe gezündet hat und Strom zu ziehen
beginnt, fällt
die Spannung über
die Sekundärwicklung
des Transformators T für
geeigneten Betrieb der Lampe auf eine normale Lampenbetriebsspannung
ab. Um jedoch den Strom zu begrenzen, der unmittelbar auf die Lampenzündung folgt,
kann es häufig
erforderlich sein, eine widerstandsbegrenzende Vorrichtung LD hinzuzufügen, welche
ein Kondensator oder eine Induktionsspule sein kann.
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2C zeigt
eine Inselstromversorgung zur Erzeugung einer Gleichspannung. Die
Spannung, die sich über
die Sekundärwicklung
des Transformators T aufbaut, wird verwendet, um einen Doppelweg-Brückengleichrichter
RL zu speisen, der die Sekundärspannung
des Transformators T in eine Gleichspannung umwandelt.
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Zusammenfassung
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Die
Gasentladungslampen-Steuerschaltung weist verbesserte Leistungsfaktorkorrektur-Kennlinien
gegenüber
vorhandenen Gasentladungslampen-Steuerschaltungen sowie geringen
Rauschausgang auf. Diese Steuerschaltung verwendet eine Unterdrückungsschaltung
für elektromagnetische
Interferenz, die aus einer in Reihe geschalteten Diode in einer
der Gleichspannungs-Eingangsleitungen von dem Doppelweg-Gleichrichter und
einem Kondensator, der über
die Gleichspannungs-Eingangsleitungen von dem Doppelweg-Gleichrichter
angeschlossen ist, besteht, um durch die Gasentladungslampen-Schaltung,
die aus der Gasentladungslampe und ihrer zugehörigen Steuerschaltung besteht,
erzeugte elektromagnetische interferenz zu beseitigen.