DE69207215T2

DE69207215T2 - Vielseitiges elektronisches Vorschaltgerät

Info

Publication number: DE69207215T2
Application number: DE69207215T
Authority: DE
Inventors: Douglas A Johns
Original assignee: Intent Patents AG
Current assignee: Intent Patents AG
Priority date: 1991-01-16
Filing date: 1992-01-07
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2012-01-08
Also published as: EP0495571A3; NO180320B; MY108940A; EP0495571A2; AU7939391A; MX9100128A; ATE132685T1; NZ239822A; IL98625A0; PT99139B; BR9104695A; FI913043A; NO912540L; DE69207215D1; NO180320C; CA2051164A1; GR3019129T3; AU638844B2; JPH05144584A; DK0495571T3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein universelles elektronisches Vorschaltsystem für Fluoreszenz- oder Gasentladungslampen.
Vorschaltsysteme für Gasentladungs- oder Fluoreszenzlampen sind in der Technik wohlbekannt. In einigen elektronischen Vorschaltsystemen gemäß dem Stand der Technik bewirkt jedoch die Entfernung der Gasentladungs- oder Fluoreszenzlampe aus dem Vorschaltschaltkreis übermäßige Spannungsabgaben an die Verbindungskontakte der Lampe. Dieser Zustand kann einen nachteiligen Einfluß auf die Lebensdauer der Vorschaltsystembauteile haben.
Andere Systeme nach dem Stand der Technik kompensieren den Zustand ohne Last durch die Hinzunahme komplexer induktiver Schaltkreise, deren Impedanz sich umgekehrt proportional zum Laststrom verändert, oder sie verschieben alternativ dazu die Betriebsfrequenz des Vorschaltsystems, um zu erzwingen, daß eine niedrigere Spannung erzeugt wird. Derartige Systeme sind jedoch schwierig herzustellen, sie erfordern genaue Kontrollen der Bauteileigenschaften. Probleme treten dann auf, wenn einige der kritischen Komponenten bzw. Bauteile nicht im Rahmen der erforderlichen engen Toleranzen gehalten werden können und daher funktioniert ein gewisser Prozentteil dieser Vorschaltsysteme nicht hinreichend gut, um den erforderlichen Schutz im Zustand ohne Last zu gewährleisten.
Die veröffentlichte europäische Patentanmeldung EP-A-0 359 860, die dem US Patent US-A-5 049 790 entspricht, zielt auf ein Vorschaltsystem, das die Eigenschaften des Oberbegriffs des Anspruches 1 zum Betreiben einer Gasentladungslampe aufweist. Das System verwendet eine integrierte Schaltung zur Steuerung des Hochfrequenzbetriebes des Lampenansteuerungsschaltkreises, in Antwort bzw. unter Ansprechen auf die Betriebsparameter der Lampe. Insbesondere mißt die Schaltung den Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung, die der Lampe zugeführt werden, und verwendet dies, um die Betriebsfrequenz der Ausgangssignale zu steuern bzw. zu regeln, was in Verbindung mit einem an die Lampe angeschlossenen Resonanzschaltkreis den Betrieb innerhalb vorgegebener Parameter gewährleistet. Wenn insbesondere registriert wird, daß die Lampe nicht in Betrieb ist, kehrt das System in seine Vorheizphase zurück, in der die Betriebsfrequenz größer ist als die normale Betriebsfrequenz. Wenn nach einer bestimmten Zeitverzögerung die Lampe nicht gezündet hat, wenn die Frequenz auf ihren normalen Wert heruntergebracht worden ist, wie durch die Messung des Lampenstroms festgestellt wird, wird die Ausgangsfrequenz weiter verringert, auf einen Wert, der kleiner ist als die Resonanzfrequenz des Lampenschwingkreises ohne Last, wodurch eine geringere Ausgangsspannung gegeben ist, wodurch die Schalttransistoren geschützt werden.
Wenn auch die elektronischen Vorschaltsysteme nach dem Stand der Technik so ausgelegt sein können, daß sie innerhalb eines Bereichs von Eingangsspannungen betrieben werden können, ohne daß es erforderlich ist, Transformatorabgriffe oder Bauteilgrößen zu verändern, sind diese Systeme dahingehend konstruiert, eine Lampe mit einer bestimmten Wattzahl zu versorgen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein universelles elektronisches Vorschaltsystem bereitgestellt zum Anschluß an eine Leistungsversorgung um mindestens eine Gasentladungslampe zu betreiben, die irgendeine von mehreren vorbestimmten Wattzahlen hat und die ein Paar Heizfäden hat, wobei das Vorschaltsystem aufweist:
(a) Filtereinrichtungen zum Anschluß an die Leistungsversorgung, um im wesentlichen Störsignale daran zu hindern, in die oder aus der Leistungsversorgung zu gelangen;
(b) eine geregelte Leistungsversorgungseinrichtung, die an die Filtereinrichtung angeschlossen ist, um einen im wesentlichen konstanten sinusförmigen Ladestrom aus dieser Leistungsversorgung aufrechtzuerhalten und eine geregelte Gleichspannungsabgabe zu gewährleisten;
(c) Einrichtungen zur Erzeugung eines regulierten, pulsierenden Stromes, die an den geregelten Ausgang der geregelten Leistungsversorgungseinrichtung angeschlossen sind, wobei die Einrichtung zur Erzeugung des pulsierenden Stroms Schalteinrichtungen aufweist, die entsprechende Regelungs-, Eingabe- und Ausgabeanschlüsse aufweisen, wobei der Ausgabeanschluß an die Rückleitung der geregelten Leistungsversorgungseinrichtung zur Erzeugung des pulsierenden Stromes angeschlossen ist; und
(d) Induktionseinrichtungen, die an die Schalteinrichtungen zur Betreibung der Gasentladungslampe angeschlossen sind, wobei diese Induktionseinrichtungen einen Ausgangstransformator bzw. Ausgangsübertrager aufweisen, der an die Gasentladungslampe angeschlossen ist;
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung zur Erzeugung des pulsierenden Stroms Regeleinrichtungen aufweist, die zur Regelung des pulsierenden Stromes an die Schalteinrichtung angeschlossen sind, die auf einen Verstärkungswert der Schalteinrichtung und auf einen Arbeitsstrom reagieren, der definiert wird durch die Gasentladungslampe, die eine bestimmte von mehreren vorbestimmten Wattzahlen aufweist;
und die geregelte Leistungsversorgungseinrichtung Einrichtungen aufweist, um den im wesentlichen konstanten sinusförmigen Laststrom im wesentlichen in Phase mit einer sinusförmigen Spannung von der Leistungsversorgung zu halten, um so die Erzeugung von Signalen harmonischer Frequenz im wesentlichen zu vermeiden.
Ein Vorschaltsystem gemäß der vorliegenden Erfindung wird nicht nur innerhalb eines großen Bereichs von Wechselspannungen funktionieren, sondern wird es auch erlauben, Lampen aus einer großen Bandbreite von Wattzahlen, Röhrendurchmessern und -längen effizient zu betreiben. Diese Verbesserung bietet große Vorteile für die Hersteller von Beleuchtungssystemen, bei denen ein einziges Vorschaltsystem innerhalb eines weiten Bereichs von Beleuchtungskörpern bzw. Leuchten verwendbar ist, im Gegensatz zu Systemen nach dem Stand der Technik, bei denen es erforderlich war, ein bestimmtes Vorschaltgerät einer Lampe mit bestimmter Wattzahl und physikalischen Eigenschaften anzupassen.
Eine Ausführungsform der Erfindung bietet daher ein universelles, für Fluoreszenzlampen passendes elektronisches Vorschaltsystem, das innerhalb eines weiten Bereiches von Eingangsspannungen bei entweder 50 oder 60 Hertz arbeitet und verwendet werden kann, um Fluoreszenzlampen zu betreiben, die irgendeine von vielen bzw. mehreren Wattzahlen, Röhrendurchmessern und -längen aufweisen. Weiterhin bietet eine Ausführungsform der Erfindung ein elektronisches Vorschaltsystem, welches ein Schaltnetzteil verwendet, das einen im wesentlichen konstanten, sinusförmigen Strom aus einer Wechselspannungsquelle erzeugt. Eine Ausführungsform der Erfindung beinhaltet einen Induktionsschaltkreis, der in Rückkopplung mit dem Umschaltnetzwerk verbunden ist, um die Funktion des Umschaltnetzwerkes zu beenden, unter Ansprechen darauf, daß die Gasentladungslampe elektrisch nicht mit dem Ausgangstransformator verbunden ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden sowohl der Arbeitsstrom als auch der Kollektorstrom des Schalttransistors eines Umschaltnetzwerkes überwacht, um eine positive Rückkopplung für den Basisschaltkreis zu liefern. Zusätzlich wird der Emitterstrom eines Schalttransistors des Umschaltnetzwerkes überwacht, um schnell den Schalttransistor abzuschalten, unter Ansprechen darauf, daß der Emitterstrom einen vorbestimmten Wert erreicht. Der den Emitterstrom überwachende Schaltkreis weist eine Einrichtung auf, mittels derer das Umschaltnetzwerk Transistoreigenschaften ausgleicht, die von einem Schalttransistor zum anderen schwanken. Weiterhin ist das Umschaltnetzwerk an den geregelten Leistungsversorgungsschaltkreis rückgekoppelt angeschlossen, um die von diesem gelieferte Zündspannung zu beenden, unter Ansprechen darauf, daß die Gasentladungslampe elektrisch nicht mit dem Ausgangstransformator verbunden ist.
Eine Ausführungsform der Erfindung stellt also ein universelles elektronisches Vorschaltsystem bereit, das an eine Leistungsversorgung angeschlossen ist, zum Betreiben mindestens einer Gasentladungslampe, die irgendeine von mehreren vorbestimmten Wattzahlen hat, wobei die Gasentladungslampe ein Paar Heizdrähte aufweist. Das elektronische Vorschaltsystem hat einen Filterschaltkreis, der an die Leistungsversorgung angeschlossen ist, um im wesentlichen zu verhindern bzw. zu unterdrücken, daß Störsignale in die oder aus der Leistungsversorgung gelangen. Weiterhin weist die Vorschalteinrichtung eine geregelte Leistungsversorgungseinrichtung auf, die an die Filtereinrichtung angeschlossen ist, um (1) einen im wesentlichen konstanten sinusförmigen Ladestrom in Phase mit der Spannung aus dieser Leistungsversorgung aufrechtzuerhalten und (2) eine geregelte Gleichspannungsabgabe zu gewährleisten. Ein Umschaltnetzwerk ist an den geregelten Ausgang der geregelten Leistungsversorgung angeschlossen zur Erzeugung eines geregelten pulsierenden Stromes einer vorgebenen Frequenz. Weiterhin ist ein Induktionsschaltkreis an das Umschaltnetzwerk angeschlossen zur Betreibung bzw. Erregung der Gasentladungslampe. Der Induktionsschaltkreis weist einen Ausgangstransformator bzw. -übertrager auf, der an die Gasentladungslampe angeschlossen ist. Der Induktionschaltkreis ist rückgekoppelt an das Umschaltnetzwerk angeschlossen zwecks Beendigung des pulsierenden Stromes, unter Ansprechen darauf, daß die Gasentladungslampe elektrisch vom Ausgangstransformator entfernt ist bzw. wird.
Ein spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben werden anhand eines Beispiels unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen, von denen
Figur 1 ein Blockdiagramm ist, welches die Schnittstellen zwischen den elektronischen Schaltkreisen der Figuren 2-5 zeigt;
Figur 2 eine schematische Darstellung des Filter- und Gleichrichtungsteils des elektronischen Vorschaltsystems ist;
Figur 3 eine schematische Darstellung desjenigen Teils des elektronischen Vorschaltsystems ist, der die geregelte Leistungsversorgung aufweist;
Figur 4 eine schematische Darstellung des Umschaltnetzwerkteils des elektronischen Vorschaltsystems ist und
Figur 5 eine schematische Darstellung des Ausgangsteils des elektronischen Vorschaltsystems ist.
In den Figuren ist ein universelles elektronisches Vorschaltsystem 10 zum Anschluß an eine Leistungsversorgung gezeigt, wodurch mindestens eine Gasentladungslampe 1900 betrieben wird. Die Gasentladungslampe 1900 kann irgendeine von mehreren Standardfluoreszenztypen sein, die erste und zweite Filamente 1870 bzw. 1880 aufweisen. Die Fluoreszenzlampe 1900 kann irgendeine von mehreren Lampen verschiedener Bauart und Wattzahl sein, mit einer Länge ungefähr im Bereich von 60,96 bis 152,40 cm (2-5 Fuß) (1 Fuß entspricht ungefähr 304,8 mm), mit Durchmessern ungefähr im Bereich von 1,59 bis 3,81 cm (5/8 Inch bis 1 1/2 Inch) (1 Inch entspricht ungefähr 25,4 mm) und mit Wattzahlen ungefähr im Bereich von 20 bis 50 Watt. Obwohl jede dieser unterschiedlich ausgelegten Fluoreszenzlampen 1900 unterschiedliche Betriebseigenschaften aufweist, ist das universelle elektronische Vorschaltsystem 10 in der Lage, einen automatischen Ausgleich bezüglich dieser unterschiedlichen Betriebseigenschaften vorzunehmen und einen wirkungsvollen Betrieb dieser Fluoreszenzlampen zu gewährleisten.
Im Gesamtkonzept ist das elektronische Vorschaltsystem 10 dafür gedacht, die Effizienz der Lichtabgabe der Gasentladungslampe 1900 in Bezug auf die Leistungseingabe in das elektronische Vorschaltsystem 10 über einen großen Bereich von Spannungen zu maximieren. Zusätzlich entnimmt das universelle elektronisches Vorschaltsystem 10 einen im wesentlichen sinusförmigen Laststrom in Phase mit der Spannung von der Leistungsversorgung, während es eine im wesentlichen eins-zu-eins-Phasenbeziehung zwischen der Versorgungspannung und dem Arbeitsstrom, der dem Wechselspannungsnetz entnommen wird, aufrechterhält.
Weiterhin weist das universelle elektronische Vorschaltsystem 10 ein geregeltes Umschaltnetzwerk 16 auf, wobei ein elektronischer Schalter 1590 betrieben wird, um einen geregelten pulsierenden Strom zu liefern. Der durch die elektronische Schalteinrichtung gehende Strom wird überwacht, um einen im wesentlichen konstanten Verstärkungswert für das Umschaltnetzwerk aufrechtzuerhalten. Weiterhin wird der Laststrom überwacht, um ein Rückkopplungssignal an den elektronischen Schalter zu liefern, um ein Erregungssignal zu liefern, das proportional dazu ist. Außerdem weist das universelle elektronisches Vorschaltsystem 10 sowohl im Umschaltnetzwerk als auch in der geregelten Leistungsversorgung Schutzschaltungen auf, um den Betrieb des Vorschaltsystems 10 zu beenden, unter Ansprechen darauf, ob bestimmte Parameter vorbestimmte Werte übersteigen.
Von besonderer Wichtigkeit ist, daß das universelle elektronische Vorschaltsystem 10 in der Lage ist, über einen weiten Bereich von Wechselspannungen aus Quellen mit 50 oder 60 Hertz zu arbeiten, ohne daß es notwendig ist, Transformatorabgriffe, Bauteile oder Bauteilwerte zu ändern. Gleichfalls ist das universelle elektronische Vorschaltsystem 10 in der Lage, automatisch bezüglich der unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften von Gasentladungslampen verschiedener Größen und Wattzahlen einen Ausgleich zu schaffen.
Gemäß Figur 2 stellt das universelle elektronische Vorschaltsystem 10 ein Paar Leitungen bzw. Anschlüsse 100 und 110 zum Anschluß an eine Wechselspannungsleistungsversorgung und eine Leitung 120 zum Anschluß an eine Erdverbindung zur Verfügung. Die Leitungen 100, 110, 120 stellen eine Verbindung zu einem Filterschaltkreis 12 des Vorschaltsystems 10 bereit. Der Filterschaltkreis ist dazu gedacht, zu verhindern, daß Hochfrequenzsignale, die innerhalb des Vorschaltsystems 10 erzeugt werden, über die Wechselspannungsleitungen zurücklaufen, und auch um zu verhindern, daß Hochfrequenzeinschaltstöße die Vorschaltsystemschaltkreise stören. Der Eingang des Filterschaltkreises 12 ist mit einer Standardkapazitätsfilteranordnung versehen, in der ein Kondensator 140 mittels der Verbindungsleitungen 130 und 150 zwischen Leitung 100 und Leitung 120 geschaltet ist. In gleicher Weise ist der Kondensator 160 zwischen die gegenüberliegende Versorgungsleitung 110 und Erde 120 geschaltet und der Kondensator 180 ist parallel zu den beiden Kondensatoren 140 und 160 geschaltet, wobei der Kondensator 180 mit den jeweils gegenüberliegenden Enden an die entsprechenden Leitungen 100 und 110 angeschlossen ist. Die Kondensatoren 140 und 160 haben 470pF und sind für 250 V ausgelegt und der Kondensator 180 ist ein 0,1uF/250 V Kondensator. Die Leitungen 100 und 110 gehen vom Parallelkondensator 180 zu einer Gleichtaktdrossel 190, die eine serielle Induktivität für jede der Leitungen 100 und 110 liefert. Die Gleichtaktdrossel 190 ist ein im Handel erhältliches Bauteil, und kann die Herstellerbezeichnung B82723-A2102-N1 tragen, erhältlich von Siemens Components, Inc. in Mt. Laurel, N.J..
Der Ausgang der Gleichtaktdrossel 190 ist angeschlossen an eine Kapazitätsfilteranordnung ähnlich der, die am Eingang der Drossel 190 vorgesehen ist. Die Kapazität 210, ein 1000pF, 250 V Kondensator, liegt zwischen der Drosselausgangsleitung 280 und der Erdverbindung 50, während der Kondensator 230, identisch zum Kondensator 210, zwischen die gegenüberliegende Drosselausgangsleitung 285 und die Erdverbindung 50 geschaltet ist. Die Kapazität 330, die ein Kondensator mit 0,33uF für 250 V ist, ist parallel zu den in Serie geschalteten Kondensatoren 210 und 230 geschaltet, um zusätzlich Störsignale, die aus der Versorgungsleitung kommen, wegzufiltern und auch, um irgendwelche Störsignale bzw. inneren Störsignale, die von Vorschaltsystemschaltkreisen erzeugt werden, wegzufiltern.
Um gegen Hochspannungsspitzen, die von den Wechselspannungsversorgungsleitungen übertragen werden können und wie sie durch Blitzeinschläge oder das Schalten großer Lasten verursacht werden können, zu schützen, ist der Metalloxidvaristor 240 parallel zur Kapazität 330 zwischen die Drosselausgangsleitungen 280 und 285 geschaltet. Der Varistor 240 kann irgendeiner aus einer Anzahl im Handel erhältlichen Bauteile sein, ein derartiger Varistor kann die Bezeichnung TNR9G471KM tragen, erhältlich von Marcon America Corp. in Vernon Hills, Ill.
Die Ausgangsleitungen 280 der Drossel sind an einen Vollwellengleichrichtungsbrückenschaltkreis zur Gleichrichtung der ihm zugeführten Wechselspannung angeschlossen, der aus den Dioden 300, 310, 350 und 378 gebildet ist. Die Dioden 300, 310, 350 und 378 können aus einer Anzahl von Standarddioden ausgewählt sein, und in einer Ausbildung des universellen elektronischen Vorschaltsystems 10 haben die Diodenbauteile 300, 310, 350 und 378 die genormte Bezeichnung 1N4006.
Die von den Dioden 300, 310, 350 und 378 gelieferte, gleichgerichtete Spannung liefert ein ungeregeltes, pulsierendes Gleichspannungssignal an den Leitungen 370 und 1175. In serieller Anordnung mit der Gleichspannungsausgangsleitung 370 gibt es einen Strombegrenzungswiderstand mit einem Widerstand 380 von 5,0 Ohm, um den Einschaltstromstoß zu begrenzen, wenn das elektronische Vorschaltsystem 10 zu Beginn unter Leistung bzw. Spannung gesetzt wird. Der Widerstand 380 ist in Reihe mit der Gleichrichterausgangsleitung 370 und der Eingangsleitung 450 der Schaltung des geregelten Netzteils bzw. der stabilisierten Spannungsquelle geschaltet.
Der Filterkondensator 430 liegt zwischen der Eingangsleitung 450 der geregelten Leistungsversorgungsschaltung und der Rückleitung 1175, um eine Standardglättungswirkung für die pulsierende Gleichspannung zu bieten. Die Kapazität ist ein Kondensator von 0,1 uF für 450 V. Parallel zu dem Kondensator 430 gibt es eine Spannungsstoßschutzdiode 400 zur Unterdrückung transienter Spannungen. Die Spannungsstoßschutzdiode 400 bietet einen zusätzlichen Schutz vor Spannungsspitzen, und während sie eigentlich dazu gedacht ist, Spannungsstöße kleinerer Größe als der Metalloxidvaristor zu unterdrücken, ist ihre Schaltgeschwindigkeit wesentlich höher, wodurch sie Schutz vor steil ansteigenden Spannungsspitzen liefert. Der Transientenschutz kann ein handelsübliches Bauteil mit der Bezeichnung BZWO4-376 sein, erhältlich von General Instruments aus Hicksville, N.Y.
In Figur 3 ist der Schaltkreis der geregelten Leistungsversorgung 14 des universellen elektronischen Vorschaltsystems 10 gezeigt. Wie in den folgenden Absätzen erklärt werden wird, hängt die Funktion des Schaltkreises der geregelten Leistungsversorgung von der Funktion des Umschaltnetzwerkes 16, Figur 4, ab. Aber anfänglich wird die ungeregelte Gleichspannung von der Eingangsleitung 450 der geregelten Leistungsversorgung dem Umschaltnetzwerk 16 zugeführt. Die Diode 510 ist seriell mit der Eingangsleitung 450 der geregelten Leistungsversorgung verbunden und die Ausgangsleitung 1640 der geregelten Leistungsversorgung liefert den Pfad für die ungeregelte Spannung während des Anschaltvorgangs des Vorschaltsystems 10. Die Diode 510 ist eine handelsübliche 1N4006 Diode.
In Figur 4 ist das Umschaltnetzwerk 16 des elektronischen Vorschaltsystems 10 gezeigt. Während des Anschaltvorganges wird die auf der Leitung 1640 zugeführte ungeregelte Spannung der Leitung 1660, der Transformatorspule 1740, der Primärspule des Ausgangsübertragers 1730 und der Transformatorspule 1710, sowie dem Kollektor 1610 des Schaltttransistors 1590 zugeführt.
Zu Beginn ist der Transistor 1590 im "Aus"-Zustand, aber der Widerstand 1620, ein 360 kOhm Widerstand, der mit einem Ende an die Leitung 1660 und mit dem anderen Ende an die Basis 1630 des Transistors 1590 angeschlossen ist, liefert einen Leitungspfad, um den Transistor zunächst "ein"zuschalten. Sobald der Transistor 1590 eingeschaltet ist, beginnt Strom durch die Spulen 1740, 1730 und 1710 zu fließen. Der Strom fließt durch den Transistor 1590, vom Kollektor 1610 zum Emitter 1600, durch die in Reihe geschalteten Dioden 1580 und 1560, durch den Widerstand 1540, der einen Widerstandswert von ungefähr 0,64 Ohm hat, und zurück zur Rückleitung 1175. Der Stromfluß durch die Spulen 1740, 1730 und 1710 induziert darin entsprechende Spannungen. Ein derartiger Transistor 1590, der erfolgreich verwendet wurde, trägt die Bezeichnung MJE8502, erhältlich von Motorola Inc. aus Tempe, Az. Die Dioden 1580 und 1560 können die Handelsbezeichnung 1N4006 tragen.
Der Erregerschaltkreis für die Basis des Transistors 1590 umfaßt eine Sekundärspule 1340 des Transformators T1, die mit ihrem ersten Ende an die Rückleitung 1175 und mit dem entgegengesetzten Ende an eine Kapazität 1320 angeschlossen ist, die ein Kondensator mit 0,22uF für 100 V ist. Das gegenüberliegende Ende des Kondensators 1320 ist in Reihe mit der Sekundärspule 1300 des Transformators T3 geschaltet. Das andere Ende der Spule 1300 ist in Reihe mit dem Widerstand 1290, mit einem Wert von 300 Ohm, geschaltet, dieser wiederum ist an die Basis des Transistors 1590 angeschlossen. Mittels der magnetischen Kopplung zwischen der Primärspule 1710 des Transformators T3 und der Sekundärspule 1300 wird in der Spule 1300 eine Spannung induziert, unter Ansprechen auf die Spannung, die induziert wird durch die Änderung des Stromes durch die Primärspule 1710. In gleicher Weise wird die Sekundärspule 1340 des Transformators T3 magnetisch an die Primärspule 1740 angekoppelt, um eine Spannung an der Sekundärspule 1340 zu induzieren, unter Ansprechen auf die induzierte Spannung in der Primärspule 1740, wie es in der Transformatortechnik wohlbekannt ist. Der Transformator T1 ist auf einem torusförmigen Kern gebildet, der die Bezeichnung F41206 trägt, erhältlich von Magnetics Inc. aus East Butler, Pa. Die Spule 1740 wird durch eine Windung gebildet und die Spule 1340 wird aus 10 Windungen gebildet.
Wie es durch die konventionelle Punktdarstellung in Figur 4 angezeigt wird, sind die in den Spulen 1300 und 1340 induzierten Spannungen von einer Polarität, die das Anschalten des Transistors 1590 fördert. Wenn daher Strom im Kollektorschaltkreis zu fließen beginnt, wird eine positive Rückkopplungsspannung in den Spulen 1300 und 1340 erzeugt, die den Transistor 1590 in voll "ein"geschalteten Zustand bringt. Die in den Spulen induzierten Spannungen sind additiv, und die Änderungsrate des Basisstromes ist eine Funktion der LC-Zeitkonstante des Basiserregungsschaltkreises.
Die LC-Zeitkonstante ist eine Funktion der Induktivitäten der Spulen 1340 und 1300 in Verbindung mit der Kapazität des Kondensators 1320. Der Widerstand 1290, der in Reihe zwischen die Spule 1300 und die Basis 1630 des Transistors 1590 geschaltet ist, wirkt als ein Strombegrenzer zur Bereitstellung eines Nominalstromes vorbestimmten Wertes, um einen hinreichenden Basisstrom für den in dem Schaltkreis verwendeten bestimmten Typ des Transistors 1590 bereitzustellen.
Der Transformator T3 wird unter Verwendung eines im Handel erhältlichen Kerns mit der Bezeichnung P43524, erhältlich von Magnetics Inc, hergestellt und hat eine Primärspule mit Abgriff, der definiert ist durch die Spulenteile 1710 und 1680, die 268 bzw. 134 Windungen haben. Der Abgriff zwischen den Spulen 1710 und 1680 ist an den Kollektor 1610 des Transistors 1590 angeschlossen. Der Anschluß der Primärspule des Transformators T3 in dieser Art und Weise liefert eine Autotransformatorkonfiguration zur nachfolgenden Erzeugung einer Hochspannung, die erforderlich ist, um die Gasentladungslampe 1900 zu zünden.
Nachdem der Transistor 1590 in den "An"-Zustand gebracht worden ist, nähert sich der durch die Spulen 1740, 1730 und 1710 fließende Kollektorstrom einem Gleichgewichtszustand, wobei die Stromänderung im wesentlichen linear ist. Wenn Strom durch die Spule 1710 fließt, wird in Spule 1680 eine Spannung induziert, die induzierte Spannung jedoch steigt exponentiell an wegen des in Reihe geschalteten Kondensators 1700, der zwischen dem einen Ende der Spule 1680 und der Rückleitung 1175 liegt. Der Kondensator 1700 ist ein Kondensator mit 3,3nF für 1600 V. Der Kollektorstrom erreicht seinen Gleichgewichtswert in einer Zeit, die von der LC-Zeitkonstante des Kollektorkreises bestimmt wird, der die Regelung nach dem ursprünglichen Einschalten übernimmt. Diese Zeitkonstante ist eine Funktion der Induktivitäten der Spulen 1710, 1680 und der Scheininduktivität der Spule 1730 sowie der Kapazität des Kondensators 1700. Die Induktivität der Spule 1730 ist eine Funktion sowohl der Induktivität der Spule 1730 selbst, als auch der gespiegelten Impedanz des Sekundärkreises, dessen wichtigste Impedanz die Kapazität des Kondensators 1940 ist, der in Figur 5 gezeigt ist.
Wie es aus der klassischen Theorie wohlbekannt ist, gibt es eine Transformatorwirkung nur dann, wenn eine Änderung im Stromfluß stattfindet. Wenn also der Gleichgewichtskollektorstrom erreicht wird, kehren sich die Spannungspolaritäten der Primärspulen 1740, 1730 und 1680 um, so geschieht es auch bei den Sekundärspulen 1300 und 1340. Die Umkehrung der Spulen 1300 und 1340 im Basiserregungsschaltkreis wirkt schnell dahingehend, daß der Transistor 1590 "aus" geschaltet wird. Das schnelle Ausschalten des Transistors 1590 erzeugt eine schnelle Änderung des Stromflusses, der zuvor durch den Transistor 1590 floß. Die in den magnetischen Feldern jeder der Spulen des Kollektorkreises gespeicherte Energie entlädt sich über die Selbstinduktion einer Spannung. Die Spulen 1680 und 1710 liefern eine Hochspannung, die verwendet wird für den Betrieb der Gasentladungslampe, wie es genauer in den folgenden Absätzen beschrieben werden wird. Wie es in der ersten Hälfte der Schwingungsperiode der Fall war, als die Änderungsgeschwindigkeit im Stromfluß einem Gleichgewichtswert zustrebte, kehrt sich das Vorzeichen der Spannung in den Spulen 1300 und 1340 um, was den Transistor 1590 in den "An"-Zustand bringt, wodurch ein sich wiederholender Zyklus stattfindet.
Unter Bezug auf die Figur 3 können nun die Betriebsweise des geregelten Leistungsversorgungsschaltkreises 14 und seine Zusammenhänge mit dem Umschaltnetzwerk 16 beschrieben werden. Der Regelungs- bzw Steuerungsschaltkreis 660 ist eine integrierte Schaltung, die die wesentlichen Elemente enthält, um ein Schaltnetzteil herzustellen, das einen sinusförmigen Netzstromverbrauch hat. Die integrierte Schaltung 660 hat eine Herstellerbezeichnungsnummer TDA4814A, erhältlich von Siemens Components, Inc. in Santa Clara, Calif. In der herkömmlichen Verwendung der integrierten Schaltung 660 würde die integrierte Schaltung 660 an eine ungeregelte Gleichspannungsversorgung angeschlossen, um ihre Betätigungsenergie bereitzustellen. Das universelle elektronische Vorschaltsystem 10 jedoch liefert ausschließlich eine Rückkopplungsspannung, die erzeugt wird unter Ansprechen auf die Schwingung des Umschaltnetzwerkes 16, um die integrierte Schaltung 660 und die peripheren Verstärkerschaltkreise 1120 und 1125 mit Energie zu versorgen. Diese Eigenschaft ermöglicht es, daß die von der geregelten Leistungsversorgung erzeugte Zündspannung bzw. Zusatzspannung koinzident mit der Arbeit der Schutzschaltkreise, die die Oszillation des Umschaltnetzwerke beenden, heruntergefahren wird, wie es in den folgenden Absätzen beschrieben wird.
Die Sekundärspule 820 des Transformators T3, die 12 Windungen hat, ist in Reihe mit der Diode 810 geschaltet, um aus der in der Spule 820 erzeugten Wechselspannung eine gleichgerichtete Spannung zu erzeugen, unter Ansprechen auf die sich wiederholende Arbeit des Umschaltnetzwerkes 16, in dem ein Wechselstrom durch die Primärspulen 1710 und 1680 des Transformators T3 fließt. Die Spule 820 ist an einem Ende sowohl mit der Erde 50 der Leistungsversorgung als auch mit dem Anschluß 670 des Steuerschaltkreises 660 verbunden, wobei der Anschluß 670 die Erdungsverbindung für die integrierte Schaltung ist. Das andere Ende der Spule 820 ist mit der Anode der Diode 810 verbunden, die Kathode der Diode 810 ist in Reihe mit dem Strombegrenzungswiderstand 800 verbunden. Die Diode 810 ist eine 1N4148 Diode und der Widerstand 800 hat 270 Ohm. Das andere Ende des Widerstandes 800 ist an den Anschluß 680 des Regelschaltkreises 660 und an die Leistungseingangsleitung 790 für die Komparatoren 1120 und 1125, die aus einer integrierten Schaltung bestehen, angeschlossen. Die halbwellengleichgerichtete Spannung, die von der seriellen Anordnung aus Spule 820, Diode 810 und Widerstand 800 geliefert wird, wird durch einen 10uF Speicherkondensator 830 gefiltert, der parallel zu der Reihenschaltung der zuvor erwähnten Bauteile geschaltet ist. Ein 0,1uF Überbrückungskondensator 840 legt den Speicherkondensator 830 in Nebenschluß, um eine Hochfrequenzfilterung der an die integrierte Schaltung 660 und die Komparatoren 1120 und 1125 gelieferten Spannung zu bewirken. Die Komparatoren 1120 und 1125 sind an die Rückseite der Halbwellenleistungsversorgung mittels der Rückleitung 795 angeschlossen. Die Komparatoren 1120 und 1125 sind beide Bestandteil einer einzigen integrierten Schaltung mit der Bezeichnung LM393N, erhältlich von der National Semiconductor Corp. aus Santa Clara, Kalifornien.
Nachdem die integrierte Schaltung 660 eingeschaltet ist, liefert sie ein pulsierendes Steuersignal an den Transistor 540 mittels der Kopplung zwischen dem Gate bzw. Gatter 930 und dem Anschluß 700. Der Transistor 540 ist ein Leistungsfeldeffekttransistor mit der Herstellerbezeichnung MTP2N50, erhältlich von Motorola, Inc. aus Tempe, Az. Unter Ansprechen auf die dem Gatter 930 des Transistors 540 zugeführte Spannung schaltet der Transistor 540 "ein" und liefert so eine leitende Verbindung zwischen Drain-Elektrode 550 und Senke 560.
Die Senke 560 des Transistors 540 ist in Reihe mit einem Widerstand 1020 geschaltet, der einen niedrigen Widerstand von ungefähr 0,33 Ohm hat und dessen Bedeutung aus den folgenden Absätzen noch besser zu verstehen ist. Die niederohmige Verbindung zwischen Leitung 520 und der gemeinsamen Leistungsversorgungsleitung 50 gewährleistet einen erheblichen Stromfluß von der Leistungseingangsleitung 450 der ungeregelten Spannung durch Leitung 530 und durch die Zündspannungsprimärtransformatorspule 500 des Transformators T4. Wie zuvor festgestellt, ist das vom Anschluß 700 der integrierten Schaltung 660 gelieferte Treibersignal ein pulsierendes Signal, mit einer Frequenz von ungefähr 30 kHz, um den Transistor 540 abwechselnd zwischen "An"- und "Aus"-Zuständen hin und her zu schalten. Der Transformator T4 wird auf einem im Handel erhältlichen Kern hergestellt, der die Bezeichnung P42510 trägt, erhältlich von Magnetics, Inc.; die Spule 500 hat 180 Windungen und die Spule 900 hat 36 Windungen.
Unter Ansprechen auf die plötzliche Diskontinuität des Stromflusses durch den Transistor 540, wenn der Transistor ausgeschaltet ist, wird eine Spannung innerhalb der Primärwicklung 500 des Transformators T4 induziert, die die ungeregelte Spannung ersetzt, die zuvor der Diode 510 zugeführt wurde. Die durch die Spule 500 erzeugte Spannung wird der Ausgangsleitung 1640 für die geregelte Spannung mittels der Diode 990 zugeführt. Die Anode der Diode 990 ist an die Leitung 520 angeschlossen, um ihr die induzierte Spannung zuzuführen. Die Kathode der Diode 990 ist an die Ausgangsleitung 1640 angeschlossen, und stellt dadurch die serielle Anordnung von Spule 500 und Diode 990 bereit, die parallel zur Diode 510 geschaltet ist. Indem also die Spule 500 so ausgelegt ist, daß sie eine Spannung erzeugt, die größer ist als die ungeregelte Spannung, die auf Leitung 450 gelegt ist, spannt diese Umkehrung die Diode 510 vor, wodurch die ungeregelte Spannung, die ursprünglich über die Diode 510 auf die Ausgangsleitung 1640 gelangte, durch die in Spule 500 induzierte Spannung ersetzt wird. Die Diode 990 ist im Handel erhältlich und trägt die Bezeichnung 1N4937.
Um diese induzierte Spannung zu regeln, müssen dem Regelschaltkreis 660 mehrere Rückkopplungssignale zugeführt werden. Das erste dieser Rückkopplungssignale kommt von dem Spannungsteiler, der gebildet wird von der Reihenschaltung der Widerstände 470 und 870. Der Widerstand 470 mit einem Wert von 1,0 Megaohm ist mit einem Ende an die Eingangsleitung 450 der ungeregelten Leistungsversorgung angeschlossen und mit dem anderen Ende an den Eingangsanschluß 770 und an ein Ende des 7,5 kOhm Widerstandes 870, wobei das andere Ende des Widerstandes 870 an die Leistungsversorgungsrückleitung 50 angeschlossen ist. Der Widerstand 870 wird von einem 10nF Filterkondensator 850 überbrückt, der dafür gedacht ist, irgendwelche transienten Änderungen in dem Rückkopplungssignal, das dem Anschluß 770 zugeführt wird, auszukoppeln. Daher ist die vom Spannungsteiler dem Eingangsanschluß 770 gelieferte Spannung proportional zu der ungeregelten Eingangsgleichspannung, die der Eingangsleitung 450 der geregelten Leistungsversorgung geliefert wird. Unter Ansprechen auf Änderungen in der der Leitung 450 zugeführten, ungeregelten Eingangsspannung moduliert die integrierte Schaltung die Pulsbreite des pulsierenden Treibersignals, das vom Anschluß 700 abgegeben wird, um die relativen "An"- und "Aus"-Zeiten des Transistors 540 zu ändern, wodurch die induzierte Spannung von Spule 500 angepaßt wird, um irgendwelche Änderungen in der Eingangsspannung zu kompensieren.
Um die erzeugte Spannung feiner einzustellen bzw. zu regeln, gibt es einen zweiten überwachenden Spannungsteiler am Ausgang des Schaltkreises der geregelten Leistungsversorgung. Der Widerstand 1210, mit einem Wert von ungefähr 1,1 Megaohm, ist mit einem Ende an die Ausgangsleitung 1640 der geregelten leistungsversorgung angeschlossen und mit dem anderen Ende mittels der Verbindungsleitung 1110 an die Eingangsleitung 1170 des Komparators und an ein Ende eines 4,99 kOhm Widerstandes 1230, dessen anderes Ende mit der Leistungsversorgungsrückleitung 50 verbunden ist. Daher liefert die der Komparatoreingangsleitung 1170 vom Knoten 1240 zwischen den Widerständen 1210 und 1230 zugeführte Spannung eine Spannung, die proportional ist zu der, die an der Ausgangsleitung 1640 der geregelten Leistungsversorgung auftritt. Der gegenüberliegende Eingangsanschluß 1160 des Komparators 1120 ist mit einer Referenzspannung verbunden, die geliefert wird vom Anschluß 740 des Regelschaltkreises 660, damit der Komparator 1120 sie verwendet, um ein Fehler- bzw. Abweichungssignal auf der Komparatorausgangsleitung 1130 zu erzeugen, welches eine Rückkopplung für den Regelschaltkreis 660 bildet. Der Kondensator 1140 von 0,1uF liegt zwischen dem Referenzspannungsanschluß 740 und der Leistungsversorgungsrückleitung 50, um irgendwelche Hochfrequenzsignale davon abzuhalten. In gleicher Weise ist der 0,001uF Kondensator 1100 zwischen die Eingangsanschlüsse 1170 und 1160 des Komparators 1120 geschaltet.
Der Ausgang des Komparators 1120 ist an den Eingangsanschluß 770 der integrierten Schaltung 660 gelegt, um die Pulsbreitenmodulation des Ausgangstreibersignals zusätzlich zu beeinflussen, unter Ansprechen auf Änderungen in den Lastbedingungen, die andernfalls die der Leitung 1640 zugeführte Ausgangsspannung beeinflussen könnten.
Der Regelschaltkreis 660 hält eine sinusförmige Netzstromlast für das Wechselspannungsleistungsnetz aufrecht, wodurch die Erzeugung harmonischer Frequenzen im wesentlichen verhindert wird, die typischerweise von Schaltnetzteilen erzeugt werden. Um das Schalten des Transistors 540 so zu steuern, daß Lücken im durch die Spule 500 fließenden Strom verhindert werden, muß die integrierte Schaltung 660 den Strom durch die Spule 500, den durch den Transistor 540 fließenden Strom und die Phasenbeziehung zwischen der erzeugten Spannung und dem Strom überwachen.
Der Strom durch die Spule 500 des Transformators T4 wird mittels einer Sekundärspule 900 überwacht, die an den Anschluß 760 der integrierten Schaltung 660 über den in Reihe geschalteten 47 kOhm Widerstand 890 angeschlossen ist. So ist die Sekundärspule 900 an einem Ende an die Leistungsversorgungsrückleitung 50 und an ihrem anderen Ende an den Widerstand 890 angeschlossen, dessen anderes Ende an den Eingangsanschluß 760 angeschlossen ist. Parallel zu der Reihenschaltung aus Spule 900 und Widerstand 890 ist ein Spannungsteiler geschaltet, der aus einer Reihenschaltung aus den Widerständen 920 und 910 besteht, die 150 KOhm bzw. 2,2 KOhm aufweisen. Der Knoten dazwischen ist an den Eingangsanschluß 750 angeschlossen, um ein "START"-Signal zu liefern, das intern in der integrierten Schaltung verwendet wird. Der durch den Transistor 540 fließende Strom wird mittels des Senkenwiderstandes 1020 überwacht, an dem eine Spannung abfällt, die proportional ist zu dem Strom, der durch ihn hindurchfließt. Diese Spannung wird an die integrierte Schaltung 660 zurückgekoppelt mittels der Anschlußleitung 635, die zwischen der Senke bzw. Source-Elektrode 570 des Transistors 540 und dem Eingangsanschluß 690 des Regelschaltkreises 660 liegt.
Zusätzlich wird der durch den Transistor 540 fließende Strom durch den Komparator 1125 überwacht. Die Spannung, die am Senkenwiderstand 1020 abfällt, wird an den 3,32 kOhm Widerstand 630 angelegt der wiederum an die Komparatoreingangsleitung 610 angeschlossen ist, damit ein Vergleich mit einer vorbestimmten Referenzspannung, die dem Komparatoreingang 620 zugeführt wird, gemacht werden kann. Diese vorbestimmte Referenzspannung wird von einem Spannungsteiler erzeugt, der von der Reihenschaltung der Widerstände 600 und 580 gebildet wird, bei der ein Ende des 10 kOhm Widerstandes 600 mit dem Referenzspannungsausgangsanschluß 740 und das andere Ende des Widerstandes 600 mit einem Ende des 4,99 kOhm Widerstandes 580 verbunden ist, wobei das andere Ende des Widerstandes 580 an die Leistungsversorgungsrückleitung bzw. Netzrückleitung 50 angeschlossen ist. Der Verbindungsknoten zwischen den Widerständen 580 und 600 wird mit der Komparatoreingangsleitung 620 verbunden, um daran die vorbestimmte Referenzspannung bereitzustellen. Ein 0,001uF Überbrückungskondensator 590 ist zwischen die Komparatoreingangsleitungen 610 und 620 geschaltet, um irgendwelche hochfrequenten, transienten Signale am Komparator vorbei- bzw. abzuleiten. Der Ausgang des Komparators 1125 ist an den Eingangsanschluß 770 angeschlossen, so wie es der Komparator 1120 war, um eine verstärkungsabhängige Regulierung des Transistorbetriebs 540 zu gewährleisten.
Der Regelschaltkreis 660 überwacht die Welligkeit der Ausgangsspannung über einen Spannungsteiler, der gebildet wird von dem Widerstand 1070, mit einem Wert von ungefähr 1,1 Megaohm und einem 4,99 kOhm Widerstand 1090, die in Reihe geschaltet zwischen der Gleichspannungsausgangsleitung 1640 und der gemeinsamen Leistungsversorgungsleitung 50 liegen. Der Knoten zwischen den Widerständen 1070 und 1090 liefert eine Spannung, die proportional zu der auf der Leitung 1640 gelieferten Ausgangsspannung ist. Diese proportionale Spannung wird dem Regelschaltkreis 660 zugeführt mittels des Spannungsteilernetzwerks und des Frequenzschutzfilters, der die Widerstände 1040, 1050, mit Werten von 20 kOhm bzw. 200 kOhm und den 0,1uF Kondensator 1060 aufweist. Der Widerstand 1050 ist parallel zum Kondensator 1060 zwischen die Anschlüsse 720 und 730 der integrierten Schaltung 660 geschaltet. Dieser Schutzfilter liefert ein Fehlersignal, das die unerwünschte Welligkeitsspannung der Gleichspannungsabgabe auf Leitung 1640 darstellt. Die Eingabe des Signals an die Anschlüsse 720 und 730 liefert eine zusätzliche Triggersteuerung des impulsbreitenmodulierten Treibersignals, das vom Anschluß 700 dem Gatter 930 des Transistors 540 zugeführt wird.
Der Regelschaltkreis 660 erfordert außerdem eine Logikeingabe, um die Arbeit der internen Schaltung zu initiieren, was durch eine Spannungseingabe an den Anschluß 710 des Regelschaltkreises 660 bereitgestellt wird. Diese Spannungseingabe wird durch das Widerstands- Dioden-Netzwerk geliefert, das gebildet wird durch die Widerstände 960, 970 und die Diode 980. Der Widerstand 960, der einen Wert von 1,0 Megaohm hat, ist mit einem Ende an die Leitung 1640 für die geregelte Ausgangsspannung und mit dem anderen Ende mittels der Verbindungsleitung 940 an den Anschluß 710 und an ein Ende des 470 Ohm Widerstandes 970 angeschlossen. Das andere Ende des Widerstandes 970 ist in Reihe mit der Anode der Diode 980 geschaltet, die Kathode der Diode 980 ist an die Anode der Diode 990 angeschlossen. Der Eingangsanschluß 710 ist mittels der Verbindungsleitung 940 an einen 0,001uF Überbrückungskondensator 950 angeschlossen, wodurch hochfrequente Transienten auf die Netzrückleitung 50 gehen. Die Diode 980 kann eine 1N4937 Diode sein.
Die geregelte Spannung, die auf der Leistungsversorgungsausgangsleitung 1640 geliefert wird, wird auf die Eingangsleitung 1660 des Umschaltnetzwerkes gegeben zur Erzeugung eines geregelten, pulsierenden Stromes durch das sich wiederholende "An"- und "Aus"-Schalten des Transistors 1590, wie es zuvor beschrieben worden ist. Das Umschaltnetzwerk 16 enthält Überlaststrom- und Nullast-Schutzschaltungen, die dahingehend wirken, daß sie unter bestimmten Bedingungen das sich wiederholende Schalten des Transistors 1590 abbrechen. Weiterhin dienen diese Schaltungen auch dazu, den pulsierenden Strom zu regulieren, aus dem die Lampenbetriebsspannung gewonnen wird. Zusätzlich zu der Stromrückkopplung, die durch die mit Abgriff versehene Primärspule 1680, 1710 des Induktionstransformators T3 gegeben ist, wird der Strom mittels des Widerstandes 1540 überwacht, der in Reihe mit dem Emitter 1600 des Transistors 1590 geschaltet ist. Der Emitter 1600 ist in Reihe geschaltet mit einem Paar in Reihe geschalteter Dioden 1560 und 1580, die zum Schutz vor Durchschlagsspannung dienen, dies Paar ist wiederum mit einem Ende des Widerstandes 1540 verbunden; das andere Ende des Widerstandes 1540 ist mit der Rückleitung 50 verbunden. Ein 10uF Überbrückungskondensator 1550 legt die beiden Dioden 1580 und 1560 in Nebenschluß, um den Emitter 1600 des Transistors 1590 zu entkoppeln.
Der Spannungsabfall entlang des Widerstandes 1540 ist proportional zu dem dadurch hindurchfließenden Emitterstrom, wodurch eine Einrichtung gegeben ist, die den Betrieb des Umschaltnetzwerkes überwacht. Der Knoten 1535 zwischen Diode 1560 und dem Widerstand 1540 ist an einen Transistor 1382 über einen 200 Ohm Widerstand angeschlossen, der an einem Ende mit dem Knoten 1535 und am anderen Ende mit der Basis 1470 des Transistors 1382 verbunden ist. Ein 2200pF Kondensator 1500 ist zwischen die Basis und den Emitter des Transistors 1382 zu dessen Entkopplung geschaltet. Der Transistor 1382 ist ein npn- Transistor mit der Bezeichnungsnummer 2N2222A, hergestellt von National Semiconductor aus Santa Clara, Ca. Der Kollektor des Transistors 1382 ist durch die Verbindungsleitung 1520 mit einem 270 Ohm Widerstand 1390 verbunden und mit der Basis 1510 des Transistors 1440. Der Widerstand 1390, der an einem Ende mit der Verbindungsleitung 1520 verbunden ist, ist am anderen Ende mit der Basisansteuerungsleitung 1430 verbunden. Der Transistor ist ein pnp-Transistor mit der Bezeichnungsnummer 2N3906, hergestellt von National Semiconductor aus Santa Clara, Ca. Der Emitter 1450 des Transistors 1440 ist mit der Basisansteuerungsleitung 1430 verbunden und der Kollektor 1460 ist an die Basis 1470 des Transistors 1382 angeschlossen. Daher überbrückt der Kollektor-Emitter-Pfad des Transistors 1440 im Nebenschluß die Reihenschaltung aus der Basis-Emitter-Verbindung des Transistors 1590, den Dioden 1580, 1560 und dem Widerstand 1530.
Wenn der Emitterstrom des Transistors 1590 einen vorbestimmten Wert erreicht, dann ist der Spannungsabfall am Widerstand 1540 ausreichend, um den Transistor 1382 "ein"zuschalten, wodurch die Basis 1510 des Transistors 1440 auf ein Potential gelegt wird, das wesentlich unter dem des Emitters 1450 liegt, was den Transistor 1440 "an"schaltet. Wenn der Transistor 1440 "an"geschaltet bzw. "ein"geschaltet ist, dann bringt dies das Potential der Basis des Transistors 1590 unter die Spannung am Emitter 1600, was den Transistor 1590 in den "Aus"-Zustand zwingt. Während eine solche Schaltungskonfiguration für einen absoluten Überstromschutz verwendet werden könnte, indem der höchstens erlaubte Strom als Funktion der Betriebsparameter des elektronischen Vorschaltsystems 10 gewählt wird, wirkt dieser Abschaltschaltkreis dahingehend, daß er bei der Regelung des pulsierenden Schaltstromes hilft.
Während die LC-Zeitkonstanten, die in den Basis- und Emitterschaltkreisen vorhanden sind, dahingehend wirken, die Gesamtoszillationsfrequenz und die "Ein"-Zeiten des Transistors zu steuern, wird die Ausschaltzeit wesentlich von der Speicherzeit des Transistors und seiner Verstärkung beeinflußt. Unter Ansprechen auf den Emitterstrom kann der Transistor 1590 bezüglich der Oszillationsfrequenz, die vom Basisansteuerungschaltkreis gegeben wird, vorzeitig ausgeschaltet werden und dadurch jene Transistoreigenschaften ausgleichen, die dazu führen, die "An"-Zeit des Transistors zu verlängern. Auf diese Weise ist das elektronische Vorschaltsystem 10 in der Lage, Variationen zwischen einem Transistor 1590 und einem anderen auszugleichen. Die Basis 1630 des Transistors 1590 ist vor negativen Spannungsspitzen durch eine in Sperrichtung vorgespannte Diodenreihe geschützt, wie es in der Technik wohlbekannt ist. Die Dioden 1350, 1360 und 1370 sind in Reihe geschaltet, um jegliche negativen Spannungsspitzen bezüglich der Basis des Transistors 1590 kurzzuschließen. Die Anode der Diode 1370 ist mit der Leistungsversorgungsrückleitung 50 verbunden und die Kathode der Diode 1350 ist mit der Basisansteuerungsleitung 1430 verbunden. Jede der Dioden 1350, 1360 und 1370 ist eine 1N4148 Diode.
Wenn, wie zuvor ausgeführt, der Transistor 1590 leitet, fließt Strom durch die mit Abgriff versehene Primärspule, die durch die Spulen 1710 und 1680 des Induktionstransformators T3 gebildet wird, wodurch Energie in deren Magnetfeldern gespeichert wird. Wenn der Transistor 1590 "aus"geschaltet wird, induziert die plötzliche Änderung im Strom eine Hochspannung in der Spule 1680, die zu der in der Spule 1710 induzierten Spannung addiert wird, was dazu führt, daß ein Strom fließt, der im wesentlichen gleich dem ist, der in den Spulen floß, gerade bevor der Transistor "aus"schaltete. Die durch diesen induktiven "Stoß" bzw. "Rückstoß" erzeugte Spannung ist von entgegengesetzter Polarität wie die, die entlang der induktiven Impedanzen abfiel, wenn der Transistor im "An"-Zustand war, und dadurch ändert sich die Polarität der im Basisansteuerungsschaltkreis induzierten Spannung, was den "Aus"-Zustand verstärkt. Auch hier wiederholt sich die "An"-Schaltsequenz, wenn der Stromfluß zwischen der Leitung 1660 und der Leistungsversorgungsrückleitung 50 durch die Spulen 1740, 1730, 1710 und 1680 und den Kondensator 1700 einem Gleichgewichtswert zustrebt.
Die induzierten Spannungen werden durch die magnetische Kopplung mit der Primärspule 1730 mittels des Ausgangtransformators T2 der Gasentladungslampe 1900 zugeführt. Der Transformator T2 ist hergestellt auf einem im Handel erhältlichen Kern mit der Bezeichnungsnummer P43007, erhältlich von Magnetics, Inc. aus East Butler, Pa. Die Primärspule 1730 ist mit 90 Windungen ausgebildet, die Sekundärspule 1765 ist mit 180 Windungen ausgebildet, die Sekundärspule 2040 hat 3 Windungen, und die Sekundärspule 1790 weist 7 Windungen auf. Wie in Figur 5 gezeigt, wird die der Gasentladungslampe 1900 zugeführte Zündspannung in der abgestimmten Sekundärspule 1765 des Ausgangstransformators T2 induziert. Die Sekundärspule 1765 wird durch den 15nF Kondensator 1940 abgestimmt, der parallel zu der Windung 1765 liegt, um eine sinusförmige Spannung zu erzeugen. Diese sinusförmige Spannung wird der Gasentladungslampe über einen in Reihe angeschlossenen 0,1uF Kondensator 2010 zugeführt. Zusätzlich weist der Ausgangstransformator T2 ein Paar Filamentspannungsspulen 1790 und 2040 auf, jede davon ist an ein entsprechendes Filament 1870 und 1880 angeschlossen. Die Filamentspannung der Windung 1790 wird dem Filament 1870 über eine Diode 1810 zugeführt, die die Bezeichnung 1N4934 trägt, um den Filamenterfassungsstrom von der Filamentspule 1790 zu trennen.
Die Erfassung des Zustandes ohne Last, wenn also die Gasentladungslampe 1900 aus dem Schaltkreis entfernt ist, wird erreicht, indem ein kleiner Gleichstrom durch das Filament 1870 geschickt wird. Ein Spannungsteiler wird gebildet aus der Reihenschaltung der Widerstände 1270, 1830 und dem Heizdraht 1870. Der Widerstand 1270 hat einen Wert von 470 KOhm und ist mit einem Ende an die Eingangsleitung 1660 des Umschaltnetzwerkes und mit dem anderen Ende an die Verbindungsleitung 1280 angeschlossen. Der Widerstand 1830 hat einen Wert von 10 kOhm ist mit einem Ende an die Verbindungsleitung 1280 und mit dem anderen Ende an ein Ende des Filaments 1870 angeschlossen, das andere Ende des Filaments 1870 ist mit der Leistungsversorgungsrückleitung 50 verbunden. Wenn daher die Gasentladungslampe 1900 elektrisch mit dem elektronischen Vorschaltsystem 10 verbunden ist, fließt ein Strom durch die Widerstände 1270 und 1830 und durch das Filament 1870. Eine Zenerdiode 1490 mit der Kennung 1N5256B ist an den Knoten 1840 der Verbindungsleitung 1280 angeschlossen, um den Spannungsabfall entlang des Widerstandes 1830 und des Filaments 1870 zu detektieren. Der Spannungsabfall entlang des Widerstandes 1830 und des Filaments 1870 ist so vorbestimmt, daß er unter der Zenerspannung der Diode 1490 liegt. Die Anode der Diode 1490 ist an die Basis des Transistors 1380 angeschlossen, der parallel mit dem Transistor 1382 geschaltet ist, wobei die Kollektoren der beiden Transistoren 1380 und 1382 mit der Verbindungsleitung 1520 zusammengeschaltet sind und beide Emitter mit einer Verbindungsleitung 1480 verbunden sind, die wiederum mit der Leistungsversorgungsrückleitung 50 verbunden ist. Es ist daher einzusehen, daß entweder Transistor 1380 oder 1382, wenn "an"geschaltet, den Transistor 1440 in einen "An"-Zustand vorspannen, wodurch die Leitfähigkeit des Transistors 1590 ausgeschaltet wird. Der Transistor 1380 ist der gleiche Typ wie der Transistor 1382 und hat dieselbe Herstellerbezeichnung.
Wen die Gasentladungslampe 1900 elektrisch aus dem elektronischen Vorschaltsystem 10 entfernt wird, verschwindet der durch die Widerstände 1270 und 1830 fließende Strom, wodurch das Potential des Knotens 1840 im wesentlichen auf die Eingangsspannung der Leitung 1660 angehoben wird. Diese Spannung treibt die Zenerdiode in den leitfähigen Zustand und schaltet daher den Transistor 1380 "ein". Wenn, wie zuvor festgestellt, der Transistor 1380 "ein"geschaltet ist, schaltet dies den Transistor 1440 an, was wiederum den Transistor 1590 ausschaltet. Diese Nullastschutzschaltung verhindert die Erzeugung hoher Spannung, die normalerweise die Gasentladungslampe zündet, wenn die Lampe entfernt worden ist bzw. entfernt wird, und macht so den Austausch von Gasentladungsröhren der fluoreszierenden Art wesentlich sicherer als in Systemen nach dem Stand der Technik. Zusätzlich verhindert dieses Abbrechen der Hochspannungserzeugung auch die Induktion von Spannung in der Sekundärspule 820 des Induktionstransformators T3. Dies wiederum fährt die Zündspannung bzw. die Zusatzspannung herunter, die von der geregelten Leistungsversorgung erzeugt wird, die nur die viel niedrigere gleichgerichtete Spannung liefert, die dem Eingang der geregelten Leistungsversorgung zugeführt wird.
Man erkennt daher, daß die Zusammenstellung bzw. die Verkettung der Bauteile, die das universelle elektronische Vorschaltsystem 10 bilden, eine hoch effiziente und extrem gut geregelte Einrichtung zum Betreiben einer Gasentladungslampe liefert. Das geregelte Leistungsversorgungsteil der Schaltung wurde dafür ausgelegt, eine Zündspannung von ungefähr 430 Volt zu erzeugen und erlaubt den Betrieb mit Eingangswechselspannungen im Bereich von 85 - 275 Volt. Zusätzlich arbeitet das elektronische Vorschaltsystem gleichermaßen gut bei Netzen mit 50 und 60 Hertz, weil die Zündspannung von einem Schaltnetzteil erzeugt wird, das seine eigene Frequenzregelung hat. Schließlich wird ein verbesserter Umschaltnetzwerkbetrieb erreicht durch die Einrichtungen, mit denen der Transistor 1590 bei einem vorbestimmten Strom wert schnell "ab"geschaltet wird zur Aufrechterhaltung einer konsistenten Schaltungsbetriebsweise unabhängig von den Eigenschaften eines bestimmten Transistors 1590. Diese Regelung in Verbindung mit dem resonanten Kollektorkreis erlaubt das Betreiben bzw. die Betätigung einer großen Vielfalt von Gasentladungslampen, die verschiedene elektrische Eigenschaften haben und Wattzahlen aufweisen, die ungefähr zwischen 20 und 50 Watt liegen.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Zusammenhang mit speziellen Ausgestaltungen und Ausführungsformen beschrieben worden ist, erkennt man, daß verschiedene Abänderungen bzw. Modifikationen vorgenommen werden können, die anders sind als die obig diskutierten.
Zum Beispiel können äquivalente Bauteile die speziell gezeigten und beschriebenen ersetzen, bestimmte Eigenschaften können unabhängig von anderen Eigenschaften verwendet werden und in einigen Fällen können bestimmte Anbringungsorte von Bauteilen umgestellt oder eingeschoben werden.

Claims

1. Universelles elektronisches Vorschaltsystem zum Anschluß an eine Strom/Spannungsquelle zum Betreiben mindestens einer Gasentladungslampe, die irgendeine von mehreren vorbestimmten Nennleistungen (Wattzahlen) hat und die ein Paar Heizfäden hat, wobei das Vorschaltsystem aufweist:

(a) eine Filtereinrichtung (12) zum Anschluß an die Strom/Spannungsquelle (100, 110), um Störsignale im wesentlichen daran zu hindern, in die oder aus der Strom/Spannungsquelle zu gelangen;

(b) eine geregelte Stromversorgungseinrichtung (Leistungsversorgungseinrichtung) bzw. ein geregeltes Netzteil (14), die bzw. das an die Filtereinrichtung angeschlossen ist, zur (1.) Aufrechterhaltung eines im wesentlichen konstanten sinusförmigen Arbeitstroms von dieser Strom/Spannungsversorgung und (2.) Gewährleistung einer geregelten Gleichspannungsabgabe (1640, 1180);

(c) eine Einrichtung (16) zur Erzeugung eines geregelten, pulsierenden Stromes, der an den geregelten Ausgang der geregelten Stromversorgungseinrichtung angeschlossen ist, wobei die Einrichtung zur Erzeugung des pulsierenden Stroms eine Schalteinrichtung (1590) aufweist, die entsprechende Regelungs-, Eingabe- und Ausgabeanschlüsse (1630, 1610, 1600) aufweist, wobei der Ausgabeanschluß an eine Rückleitung (1180) der geregelten Stromversorgungseinrichtung zur Erzeugung des pulsierenden Stroms angeschlossen ist; und

(d) eine Induktionseinrichtung, die an diese Schalteinrichtungen angeschlossen ist, um die Gasentladungslampe zu betreiben, wobei diese Induktionseinrichtung einen Ausgangstransformator bzw. Ausgangsübertrager (T2) aufweist, der an die Gasentladungslampe (1900) angeschlossen ist;

dadurch gekennzeichnet, daß:

die Einrichtung zur Erzeugung des pulsierenden Stroms Regeleinrichtungen aufweist, die an die Schalteinrichtung angeschlossen sind zur Regelung des pulsierenden Stromes und die auf einen Verstärkungswert der Schalteinrichtung unter Ansprechen auf einen Arbeitstrom, der definiert wird durch die Gasentladungslampe, die eine bestimmte von mehreren vorbestimmten Wattzahlen aufweist; und

die geregelte Stromversorgungseinrichtung Einrichtungen (540, 660, 470, 870, 900, 1020, 1120, 1125) aufweist, um den im wesentlichen konstanten sinusförmigen Laststrom im wesentlichen in Phase mit einer sinusförmigen Spannung von der genannten Strom/Spannungsquelle zu halten, um so die Erzeugung von Signalen harmonischer Frequenz im wesentlichen zu vermeiden.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung eine erste Transistoreinrichtung (1590) mit entsprechenden Basis- (1630), Kollektor- (1610) und Emitterelementen (1600) aufweist, wobei der Kollektor an eine Primärwicklung (1730) des Ausgangstransformators angeschlossen ist, um unter Anspechen auf den pulsierenden Strom darin eine Spannung zu induzieren.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reguliereinrichtung Basiserregungs- bzw. Basisansteuerungseinrichtungen (1340, 1300) aufweist, die an die Basis der ersten Transistoreinrichtung angeschlossen sind, um als Reaktion auf den pulsierenden Strom ein Schaltsignal zu erzeugen.

4. System nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung Schutzeinrichtungen (1380, 1382, 1440) aufweist, die an die erste Transistoreinrichtung angeschlossen sind, um unter Ansprechen darauf, ob der pulsierende Strom einen vorbestimmten Wert überschreitet, den Verstärkungswerts der Schalteinrichtung zu regeln, und um unter Ansprechen auf ein Rückkopplungssignal (1840) von der Induktionseinrichtung, das den elektrischen Nichtanschluß bzw. das elektrische Entkoppeln der Gasentladungslampe anzeigt das Schaltsignal zu beenden.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung eine zweite Transistoreinrichtung (1440) aufweist, die entsprechende Basis- , Kollektor- und Emitterelemente aufweist, zur Bereitstellung eines Nebenschlusses für das Schaltsignal des Basiselements der ersten Transistoreinrichtung, wobei die zweite Transistoreinrichtung eine Kollektor-Emitterstrecke aufweist, die parallel zu einer Basis-Emitterverbindung der ersten Transistoreinrichtung geschaltet ist.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung Mittel (1270, 1490, 1830, 1380) zur Detektierung des elektrischen Entkoppelns der Gasentladungslampe aufweist, die an die zweite Transistoreinrichtung und die Induktionseinrichtung angeschlossen sind.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese Detektiereinrichtung eine dritte Transistoreinrichtung (1380) aufweist, die an die zweite Transistoreinrichtung (1440) angeschlossen ist, um unter Ansprechen auf das Rückkopplungssignal (1840) einen Vorspannungszustand des Basiselements der zweiten Transistoreinrichtung zu ändern.

8. System nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung Stromabtasteinrichtungen (1540, 1382) aufweist, um in Reaktion darauf, daß ein Emitterstrom der ersten Transistoreinrichtung einen vorbestimmten Wert übersteigt, einen Vorspannungszustand des Basiselements der zweiten Transistoreinrichtung zu ändern.

9. System nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionseinrichtung Spannungsteilereinrichtungen (1830, 1270) aufweist, die an eines der Filamente des Paares von Gasentladungslampenfilamenten angeschlossen sind zur Bereitstellung des Rückkopplungssignals (1840) in Reaktion darauf, daß ein vorbestimmter Stromfluß durch dieses Filament unter einen vorbestimmten Wert fällt.

10. System nach Anspruch 3 oder deinem der Ansprüche 4 bis 10, soweit von Anspruch 3 abhängig, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisansteuereinrichtung einen Laststromabtasttransformator (T1) aufweist mit einer Primärwicklung (1740), die in Reihe mit der Primärwicklung (1730) des Ausgangstransformators geschaltet ist, wobei der Laststromabtasttransformator eine Sekundärwicklung (1340) aufweist, die in Reihe mit dem Basiselement der ersten Transistoreinrichtung geschaltet ist, zur Regelung der Größe des Schaltsignals unter Reaktion auf den pulsierenden Strom.

11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisansteuereinrichtung des weiteren einen Kollektorstromabtasttransformator (T3) aufweist, der eine mit Abgriff versehene Primärwicklung (1710, 1680) aufweist, die in Reihe mit der Primärwicklung des Ausgangstransformators geschaltet ist, wobei der Abgriff der mit Abgriff versehenen Primärwicklung an das Kollektorelement der ersten Transistoreinrichtung angeschlossen ist, wobei der Kollektorstromabtasttransformator eine erste Sekundärwicklung (1300) aufweist, die in Reihe mit dem Basiselement der ersten Transistoreinrichtung geschaltet ist, um ein Signal, das proportional zu diesem Kollektorstrom ist, auf die Basis der ersten Transistoreinrichtung zu legen.

12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektorstromabtasttransformator des weiteren eine zweite Sekundärwicklung (820) aufweist, die an die geregelte Stromversorgungsquelle angeschlossen ist, wodurch unter Ansprechen auf die Erzeugung dieses pulsierenden Stromes durch die Schalteinrichtung eine Spannung erzeugt wird, um mindestens eines der Mehrzahl der aktiven Elemente (660, 1120, 1125) dieser geregelten Stromversorgungseinrichtung zu betreiben.

13. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die geregelte Stromversorgungseinrichtung eine Regelschaltkreiseinrichtung (660) aufweist, die an die Filtereinrichtung angeschlossen ist, um einen Schaltkreis zur weiteren Verstärkung bzw. Erhöhung der Spannung zu treiben bzw. anzusteuern, unter Ansprechen auf ein Eingangssignal (770), das die Größe einer Spannung repräsentiert, die von dieser Strom/Spannungsversorgung geliefert wird.

14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die geregelte Stromversorgungseinrichtung des weiteren eine erste Verstärkereinrichtung (1120) aufweist, die einen Eingangsanschluß (1170) aufweist, der an den besagten Gleichspannungsausgang angeschlossen ist, um unter Ansprechen auf die Größe dieser Gleichspannungsabgabe ein erstes Rückkopplungssignal zu erzeugen, wobei diese erste Verstärkereinrichtung einen Ausgangsanschluß (1130) hat, der an die Regelsschaltkreiseinrichtung angeschlossen ist, um dieses erste Rückkopplungssignal darin einzuspeisen.

15. System nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die geregelte Stromversorgungseinrichtung weiterhin eine zweite Verstärkungseinrichtung (1125) aufweist, die einen Eingang (610) aufweist, der an den Schaltkreis zur weiteren Verstärkung bzw. Erhöhung der Spannung angeschlossen ist, um ein zweites Rückkopplungssignal zu erzeugen, das auf einen Betriebsstrom dieses Schaltkreises zur weiteren Verstärkung bzw. Erhöhung der Spannung anspricht, wobei diese zweite Verstärkereinrichtung einen Ausgang (480) hat, der an die Regelsschaltkreiseinrichtung angeschlossen ist, um dieses zweite Rückkopplungssignal darin einzuspeisen.

16. System nach Anspruch 15, soweit dieser von Anspruch 14 abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Schaltkreis zur weiteren Verstärkung bzw. Erhöhung der Spannung eine Treibertransistoreinrichtung (540) aufweist, die an die Regelsschaltkreiseinrichtung angeschlossen ist, um unter Ansprechen auf ein moduliertes Schaltsignal von dieser Regelsschaltkreiseinrichtung einen Strom zu schalten, wobei dieses modulierte Schalten impulsbreitenmoduliert ist unter Ansprechen auf (1.) die Größe der von der Strom/Spannungsversorgung gelieferten Spannung, (2.) auf das erste Rückkopplungssignal und (3.) auf das zweite Rückkopplungssignal.