EP0055995B1 - Schaltungsanordnung zum Zünden und Betrieb einer Niederdruckentladungslampe aus einer Gleichstromquelle - Google Patents
Schaltungsanordnung zum Zünden und Betrieb einer Niederdruckentladungslampe aus einer Gleichstromquelle Download PDFInfo
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Definitions
- the invention relates to a circuit arrangement for igniting and operating a low-pressure discharge lamp, provided with two electrodes, at least one of which can be preheated, from a direct current source, in which an electronic switching element lying parallel to the lamp and in series with the preheatable electrode (cathode) is reached after reaching it the ignition temperature of the preheated electrode is switched to its non-conductive state, whereby the heating circuit is interrupted and the full DC voltage is applied to the lamp.
- Such a circuit arrangement is known from US-PS 3720861.
- This circuit arrangement works with pure direct current and uses a bipolar transistor, which is controlled by a thyristor, to switch the heating circuit of the lamp.
- a bipolar transistor which is controlled by a thyristor, to switch the heating circuit of the lamp.
- a thyristor When operating with pure direct current, however, only a single attempt to start is possible. If the lamp does not ignite, the thyristor remains conductive and a new attempt can only be made after the voltage has been switched off and on again.
- this circuit arrangement is dependent on the use of a high-voltage transistor designed for the ignition voltage of the lamp. However, these have only a small current gain, so that a resistor in series with the control thyristor must be correspondingly small.
- the peak voltage storage consisting of a diode and a charging capacitor, is provided at the input of the Schmitt trigger.
- a preferred embodiment of the circuit arrangement according to the invention is characterized in that the control electrode of the electronic switching element is connected via a voltage divider both to the anode of the discharge lamp and to the output of the Schmitt trigger, which is dependent on the voltage from the voltage drop across the preheated electrode is controlled via a voltage divider which is parallel to the charging capacitor and consists of a zener diode and a resistor.
- the preferred circuit arrangement manages with a relatively small charging capacitor if, according to a development according to the invention, the voltage divider connected to the control electrode of the electronic switching element has a field-effect transistor on the side of the Schmitt trigger, which is caused by the voltage at the output of the Schmitt trigger is controlled.
- the voltage divider connected to the control electrode of the electronic switching element has a zener diode on the lamp anode side.
- Schmitt triggers that are coupled back through a resistor are provided.
- This embodiment is advantageous if individual commercially available Schmitt triggers have too low a hysteresis, as a result of which the difference in control voltages between the break points became too small for the application in question.
- Operation with pulsating direct current has the advantage that a thyristor can be used as the electronic switching element.
- a high-voltage field-effect transistor can be used as a switching element.
- ballast 5 consists of an ohmic resistor, but preferably of an electronic switched-mode power supply, as is e.g. in U.S. Patent 3,890,537.
- the discharge lamp has a preheatable electrode 6 (cathode) and a non-preheatable counter electrode 7 (anode).
- a thyristor 8 Parallel to the lamp 4 and in series with the lamp cathode 6 is a thyristor 8, the control electrode 9 of which is connected via a voltage divider consisting of two resistors 10 and 11 both to the anode 7 of the discharge lamp 4 and to the output 12 of a Schmitt trigger 13 .
- the Schmitt trigger 13 draws its supply voltage via a peak voltage memory arranged in parallel with the lamp cathode 6, consisting of the series connection of a diode 14 and a charging capacitor 15, from the voltage drop across the preheated cathode 6.
- the Schmitt trigger 13 is of the same voltage via a parallel to the charging capacitor 15, consisting of a Zener diode 16 and a resistor 17, a voltage divider, the center tap of which is connected to the input 18 of the Schmitt trigger 13.
- the low pressure discharge lamp 4 e.g. a 20W fluorescent lamp is supplied with pulsating direct current via the rectifier bridge 3.
- the ballast 5 serves to limit the current. After the mains voltage has been applied, no current initially flows through the lamp cathode 6; the connection points 19 and 20 thus have the same potential.
- the output 12 of the Schmitt trigger 13 is necessarily at the same potential.
- the control electrode 9 of the thyristor 8 therefore receives a positive voltage via the voltage divider 10, 11, so that the thyristor 8 can ignite. After the thyristor 8 has been ignited, a current flows through it through the preheatable cathode 6 and is limited only by the ballast 5.
- the lamp current flows over the cathode 6 and causes a voltage drop between points 19 and 20; this is sufficient to keep the Schmitt trigger 13 in its stable state. Only when the voltage between points 19 and 20 is very low, which is only below when the lamp 4 is not ignited or when it is switched off, does the Schmitt trigger 13 flip back to its original state and enables the thyristor 8 and thus one to be fired again try to start lamp 4 again (in practice after about 0.1 sec).
- the circuit arrangement according to FIG. 1 is constructed similarly to that according to FIG. 1 and essentially works in the same way. Since commercially available Schmitt triggers (eg Valvo HEF 4093) often only have a low hysteresis, ie that the difference between the control voltages between the tipping points is relatively small, two are negative-coupled in the circuit arrangement according to FIG. 2 by a resistor 21 Schmitt triggers 13a and 13b are provided.
- Schmitt triggers eg Valvo HEF 4093
- the charging capacitor 15 in the arrangement according to FIG. 1 must be relatively large so that it is not discharged too quickly by the control current of the thyristor 8. This would lead to undesired re-ignition of the thyristor 8 after the preheating has ended before the lamp 4 itself has ignited.
- the arrangement according to FIG. 2 manages with a much smaller charging capacitor 15 if the resistor 11 is replaced by a field effect transistor 22 (n-channel enhancement MOSFET) and the diode 14 is moved to the positive end of the lamp cathode 6.
- the field effect transistor 22 is controlled by the voltage at the output 12 of the Schmitt triggers 13a and 13b.
- control electrode 9 of the thyristor 8 is connected in a low-resistance manner via a limiting resistor 23 and the field-effect transistor 22 directly to the negative side of the rectifier bridge 3 after the preheating has ended, without the charging capacitor 15 having to supply the control current which may still be flowing for the thyristor 8.
- the resistor 10 of the voltage connected to the control electrode 9 of the thyristor 8 divider 10, 11 or 10, 22 can be replaced by a Zener diode, the Zener voltage is slightly higher than the operating voltage of the lamp 4. This provides additional security against undesired re-ignition of the thyristor 8, since after ignition of the lamp 4 no positive Voltage can reach the control electrode 9 of the thyristor 8.
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Zünden und Betrieb einer mit zwei Elektroden, von denen wenigstens eine vorheizbar ist, versehenen Niederdruckentladungslampe aus einer Gleichstromquelle, bei der ein parallel zur Lampe und in Reihe mit der vorheizbaren Elektrode (Kathode) liegendes elektronisches Schaltelement nach Erreichen der Zündtemperatur der vorgeheizten Elektrode in seinen nichtleitenden Zustand geschaltet wird, wodurch der Heizstromkreis unterbrochen und die volle Gleichspannung an die Lampe angelegt wird.
- Zum einwandfreien Zünden von Niederdruckentladungslampen ist ein zuverlässiges Vorheizen der vorheizbaren Elektroden erforderlich. Um dies unter allen Betriebsbedingungen zu erreichen, geht man bei der obigen Schaltungsanordnung von dem Grundgedanken aus, die Temperatur dieser Elektrode zu messen. Wegen des stark positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes der Heizelektrode ist dies in relativ einfacher Weise möglich durch Messung des Spannungsabfalles über der vom Heizstrom durchflossenen Elektrode.
- Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der US-PS 3720861 bekannt. Diese Schaltungsanordnung arbeitet mit reinem Gleichstrom und benutzt zum Schalten des Heizkreises der Lampe einen bipolaren Transistor, der von einem Thyristor gesteuert wird. Bei Betrieb mit reinem Gleichstrom ist hierbei aber nur ein einziger Startversuch möglich. Zündet die Lampe dabei nicht, bleibt der Thyristor leitend und ein neuer Versuch kann erst nach Aus- und Wiedereinschalten der Spannung gemacht werden. Ausserdem ist diese Schaltungsanordnung auf die Verwendung eines für die Zündspannung der Lampe ausgelegten Hochspannungstransistors angewiesen. Diese haben aber nur eine geringe Stromverstärkung, so dass ein in Reihe mit dem Steuerthyristor liegender Widerstand entsprechend klein sein muss. Da dieser Widerstand aber beim Brennen der Lampe ständig an der voflen Spannung liegt, entsteht hier eine grosse Verlustleistung von etwa 15% bis 20% der Lampenleistung. Die bekannte Schaltungsanordnung kann auch nicht mit pulsierendem Gleichstrom betrieben werden, da sonst der Thyristor bei jedem Nulldurchgang der Spannung nichtleitend und somit für jede Halbwelle ein neues Einschalten des Heizkreises bewirken würde, und zwar auch dann, wenn die Lampenelektroden bereits genügend vorgeheizt sind. Auf diese Weise wäre ein Zünden und Brennen der Lampe nach dem Vorheizvorgang gar nicht möglich.
- Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung eingangs erwähnter Art gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die Gleichstromquelle einen pulsierenden Gleichstrom erzeugt und das elektronische Schaltelement durch einen in Abhängigkeit von der Temperatur der vorgeheizten Elektrode gesteuerten Schmitt-Trigger geschaltet wird, der seine Versorgungsspannung über einen parallel zur vorheizbaren Elektrode angeordneten Spitzenspannungsspeicher, bestehend aus der Reihenschaltung einer Diode und eines Ladekondensators, aus dem Spannungsabfall über der vorgeheizten Elektrode bezieht.
- Ein solcher Schmitt-Trigger kann bei entsprechender Hysterese, das heisst bei genügend grossem Unterschied in den beiden Kippspannungen, zwischen den vier möglichen Betriebszuständen der Lampe unterscheiden, nämlich:
- 1. Einschalten:
- Elektrode kalt; Spannung über Elektrode klein: Trigger aus.
- 2. Ende des Heizvorganges:
- Elektrode heiss; Spannung über Elektrode hoch: Trigger schaltet ein.
- 3. Lampe brennt nach Zündung:
- Elektrode bleibt heiss durch Lampenstrom; Spannung über Elektrode mittelgross: Trigger bleibt eingeschaltet.
- 4. Lampe brennt nicht nach Zündung:
- Elektrode erkaltet; Spannung über Elektrode verschwindet: Trigger schaltet wieder ein.
- Damit dieser Zyklus nicht in jeder Halbwelle des pulsierenden Gleichstroms durchlaufen wird, ist der Spitzenspannungsspeicher, bestehend aus Diode und Ladekondensator, am Eingang des Schmitt-Triggers vorgesehen.
- Eine bevorzugte Ausführungsform der Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode des elektronischen Schaltelementes über einen Spannungsteiler sowohl mit der Anode der Entladungslampe als auch mit dem Ausgang des Schmitt-Triggers verbunden ist, der von der Spannung aus dem Spannungsabfall über der vorgeheizten Elektrode über einen parallel zum Ladekondensator liegenden, aus einer Zenerdiode und einem Widerstand bestehenden Spannungsteiler angesteuert wird.
- Mit einem relativ kleinen Ladekondensator kommt die bevorzugte Schaltungsanordnung aus, wenn gemäss einer Weiterbildung nach der Erfindung der an die Steuerelektrode des elektronischen Schaltelementes angeschlossene Spannungsteiler auf der Seite des Schmitt-Triggers einen Feldeffekt-Transistor aufweist, der durch die Spannung am Ausgang des Schmitt-Triggers gesteuert wird.
- Eine zusätzliche Sicherheit gegen ein unerwünschtes Wiederzünden des elektronischen Schaltelementes erreicht man, wenn nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung der an die Steuerelektrode des elektronischen Schaltelementes angeschlossene Spannungsteiler auf der Seite der Lampenanode eine Zenerdiode besitzt.
- Vorzugsweise sind zwei durch einen Widerstand gegengekoppelte Schmitt-Trigger vorgesehen. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, wenn einzelne handelsübliche Schmitt-Trigger eine zu geringe Hysterese aufweisen, wodurch der Unterschied der Steuerspannungen zwischen den Kipp-Punkten für die in Frage stehende Anwendung zu gering wurde.
- Der Betrieb mit pulsierendem Gleichstrom hat den Vorteil, dass als elektronisches Schaltelement ein Thyristor benutzt werden kann. Ausserdem ist ein Hochspannungs-Feldeffekttransistor als Schaltelement verwendbar.
- Einige Ausführungsbeispiele nach der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zum Zünden und Betrieb einer Niederdruckentladungslampe und
- Fig.2 eine abgewandelte Schaltungsanordnung dieser Art.
- Mit 1 und 2 sind Eingangsklemmen zum Anschliessen an ein Wechselspannungsnetz von 220 V, 50 Hz, bezeichnet, welche mit einer Gleichrichterbrücke 3 verbunden sind. An die andere Seite der Gleichrichterbrücke 3 ist eine Reihenschaltung, bestehend aus einer Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe 4 und einem Ballast 5 zur Strombegrenzung, angeschlossen. Dieser Ballast 5 besteht im einfachsten Fall aus einem ohmschen Widerstand, vorzugsweise jedoch aus einem elektronischen Schaltnetzteil, wie es z.B. in der US-PS 3 890 537 beschrieben ist. Die Entladungslampe besitzt eine vorheizbare Elektrode 6 (Kathode) und eine nicht vorheizbare Gegenelektrode 7 (Anode). Parallel zur Lampe 4 und in Reihe mit der Lampenkathode 6 liegt ein Thyristor 8, dessen Steuerelektrode 9 über einen aus zwei Widerständen 10 und 11 bestehenden Spannungsteiler sowohl mit der Anode 7 der Entladungslampe 4 als auch mit dem Ausgang 12 eines Schmitt-Triggers 13 verbunden ist. Der Schmitt-Trigger 13 bezieht seine Versorgungsspannung über einen parallel zur Lampenkathode 6 angeordneten Spitzenspannungsspeicher, bestehend aus der Reihenschaltung einer Diode 14 und eines Ladekondensators 15, aus dem Spannungsabfall über der vorgeheizten Kathode 6. Von derselben Spannung wird der Schmitt-Trigger 13 über einen parallel zum Ladekondensator 15 liegenden, aus einer Zenerdiode 16 und einem Widerstand 17 bestehenden Spannungsteiler, dessen Mittelabgriff mit dem Eingang 18 des Schmitt-Triggers 13 in Verbindung steht, angesteuert.
- Die beschriebene Schaltung wirkt wie folgt: Die Niederdruckentladungslampe 4, z.B. eine 20W-Leuchtstofflampe, wird über die Gleichrichterbrücke 3 mit pulsierendem Gleichstrom versorgt. Der Ballast 5 dient zur Strombegrenzung. Nach Anlegen der Netzspannung fliesst zunächst kein Strom durch die Lampenkathode 6; die Verbindungspunkte 19 und 20 weisen somit gleiches Potential auf. Auf demselben Potential liegt zwangsläufig der Ausgang 12 des Schmitt-Triggers 13. Der Steuerelektrode 9 des Thyristors 8 erhält daher über den Spannungsteiler 10, 11 eine positive Spannung, so dass der Thyristor 8 zünden kann. Nach dem Zünden des Thyristors 8 fliesst über ihn ein Strom durch die vorheizbare Kathode 6, der nur durch das Vorschaltgerät 5 begrenzt wird. Zwischen den Verbindungspunkten 19 und 20 entsteht nun eine Spannung, die mit zunehmender Erwärmung der vorheizbaren Elektrode 6 grösser wird. Erreicht diese Spannung einen vorgegebenen Wert, d.h. ist die Lampenelektrode 6 genügend heiss, dann wird die Zenerspannung der Zenerdiode 16 überschritten, so dass der Schmitt-Trigger 13 umkippt. Dadurch wird der Ausgang 12 des Schmitt-Triggers 13 vom Potential des Punktes 20 auf das nunmehr negativere Potential des Punktes 19 geschaltet, so dass der Thyristor 8 bei der nächstfolgenden Halbwelle nicht mehr zündet. Damit liegt die volle Leerlaufspannung an der vorgeheizten Lampe 4, so dass diese zünden kann. Bei gezündeter Lampe 4 fliesst der Lampenstrom über die Kathode 6 und bewirkt einen Spannungsabfall zwischen den Punkten 19 und 20; dieser reicht aus, um den Schmitt-Trigger 13 in seinem stabilen Zustand zu halten. Erst bei einer sehr kleinen Spannung zwischen den Punkten 19 und 20, die nur bei Nichtzünden der Lampe 4 oder bei deren Ausschalten unterschritten wird, kippt der Schmitt-Trigger 13 wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurück und ermöglicht ein erneutes Zünden des Thyristors 8 und damit einen erneuten Startversuch der Lampe 4 (in der Praxis nach etwa 0,1 sec).
- Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist ähnlich aufgebaut wie die nach Fig. 1 und arbeitet im wesentlichen ebenso. Da handelsübliche Schmitt-Trigger (z.B. Valvo HEF 4093) oft nur eine geringe Hysterese aufweisen, d.h., dass bei ihnen der Unterschied der Steuerspannungen zwischen den Kipp-Punkten relativ klein ist, sind bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 zwei durch einen Widerstand 21 gegengekoppelte Schmitt-Trigger 13a und 13b vorgesehen.
- Der Ladekondensator 15 in der Anordnung nach Fig. 1 muss relativ gross sein, damit er durch den Steuerstrom des Thyristors 8 nicht zu schnell entladen wird. Dies würde nämlich zu einem unerwünschten Wiederzünden des Thyristors 8 nach Beendigung des Vorheizens führen, bevor die Lampe 4 selbst gezündet ist. Mit einem wesentlich kleineren Ladekondensator 15 kommt die Anordnung nach Fig. 2 aus, wenn der Widerstand 11 durch einen Feldeffekt-Transistor 22 (n-Kanal-Anreicherungs-MOSFET) ersetzt und die Diode 14 an das positive Ende der Lampenkathode 6 verlegt wird. Der Feldeffekt-Transistor 22 wird durch die Spannung am Ausgang 12 der Schmitt-Trigger 13a und 13b gesteuert. Hierdurch wird nach Ende des Vorheizens die Steuerelektrode 9 des Thyristors 8 niederohmig über einen Begrenzungswiderstand 23 und den Feldeffekt-Transistor 22 direkt mit der negativen Seite der Gleichrichterbrücke 3 verbunden, ohne dass der Ladekondensator 15 den eventuell noch fliessenden Steuerstrom für den Thyristor 8 liefern muss.
- Der Widerstand 10 des an die Steuerelektrode 9 des Thyristors 8 angeschlossenen Spannungsteilers 10, 11 bzw. 10, 22 kann durch eine Zenerdiode ersetzt werden, deren Zenerspannung etwas höher ist als die Brennspannung der Lampe 4. Dadurch wird eine zusätzliche Sicherheit gegen ein unerwünschtes Wiederzünden des Thyristors 8 erreicht, da nach Zünden der Lampe 4 keine positive Spannung mehr an die Steuerelektrode 9 des Thyristors 8 gelangen kann.
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