EP0594880B1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Zünden von Leuchtstofflampen bei vorbestimmter Temperatur der Lampenkathoden - Google Patents

Verfahren und Schaltungsanordnung zum Zünden von Leuchtstofflampen bei vorbestimmter Temperatur der Lampenkathoden Download PDF

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EP0594880B1
EP0594880B1 EP92118404A EP92118404A EP0594880B1 EP 0594880 B1 EP0594880 B1 EP 0594880B1 EP 92118404 A EP92118404 A EP 92118404A EP 92118404 A EP92118404 A EP 92118404A EP 0594880 B1 EP0594880 B1 EP 0594880B1
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    • H05B41/046—Starting switches using semiconductor devices for lamp provided with pre-heating electrodes using controlled semiconductor devices

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and to a circuit arrangement to carry out the procedure.
  • the lamp cathodes are preheated by fluorescent lamps, before the ignition voltage to the fluorescent lamp is created. This will increase the lifespan of the fluorescent lamp significantly extended compared to a cold ignition. From EP-A-0 118 309 and DE-OS-32 02 445 Circuit arrangements are known in which the duration the preheating of the lamp cathodes is fixed. If the duration of preheating the lamp cathodes on this way it is set at essentially constant preheating current the different types of Fluorescent lamps with different resistance values Lamp cathodes heated unevenly. Because the optimal Lamp cathode temperature at ignition between Is 600 and 700 ° C, it is practically not possible an optimal duration for all types of fluorescent lamps the preheating time.
  • the object of the invention is therefore a Process for preheating and lighting fluorescent lamps to create, or a circuit arrangement for implementation the process, which is optimal and different Resistance values of the lamp cathodes independent Duration of the preheating time is achieved.
  • This known circuit arrangement corresponds the inductive operation of the fluorescent lamp at mains frequency (50-60 Hz).
  • the switch S is an electronic starter, e.g. in the Document EP-A-0 118 309.
  • the lamp cathode this switch is closed and opened after a pre-set period of time.
  • the switch is opened, the current flows through the Throttle Ld interrupted and by the at the throttle Ld induced voltage, the fluorescent lamp LL is ignited.
  • the value of the inductance of the inductor Ld by determines the lamp voltage and lamp current during operation the duration of the preheating time for the given preheating current so that the Fluorescent lamps ignited with the lowest-resistance cathode can be. This turns the fluorescent lamps with high-resistance lamp cathodes for too long with this preheating current operated what such fluorescent lamps unnecessary overheated and shortened their lifespan.
  • This series resonance circuit will used in electronic ballasts, in which the fluorescent lamp with higher frequency (20-90 kHz) is operated.
  • the frequency compared to the resonance frequency of the resonance circuit so changed that over the resonance capacitor and with that voltage above the fluorescent lamp none Ignition of the fluorescent lamp causes, and being an im substantially constant current through the lamp cathodes LK1 and LK2 flow and preheat them.
  • the fixed preselected duration of the preheating phase is the Frequency close to the resonant frequency of the resonant circuit brought and thereby the voltage across the resonance capacitor Cr so increased that the fluorescent lamp is ignited.
  • FIG. 3 shows the time profiles of the lamp cathode voltages V k of a low-resistance lamp cathode V KN and a high-resistance lamp cathode V KH when both lamp cathodes are preheated with essentially the same preheating current and for the same period of time.
  • the preheating current is switched on and the lamp cathode voltage V k is directly proportional to the resistance of the cold lamp cathodes.
  • the heating power P H currently delivered to the lamp cathodes is equal to the product of the preheating current in second power and the resistance of the lamp cathode.
  • the cathode temperature of the lamp is now determined before the ignition.
  • the lamp cathodes are made of tungsten wire with a temperature coefficient of 0.5% / K. From the measurement of the lamp cathode voltage V k , the temperature of the lamp cathode can be deduced directly if the voltage of the cold lamp cathode is known.
  • the Duration of preheat time determined so that a preselected Temperature of the lamp cathode is reached. Is this Temperature e.g. 600 ° C, the ratio of Resistance of the hot lamp cathode to the resistor the cold lamp cathode about 3. Ignition of the lamp can therefore be initiated if the resistance determined the hot cathode three times that previously determined Resistance of the cold cathode is.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a circuit arrangement which enables the method according to the invention to be carried out.
  • the lamp cathode voltage V k is rectified and its peak value is measured on a capacitor C1.
  • the peak value of the first half-wave which corresponds to the voltage across the cold lamp cathode or the resistance of the cold cathode, is stored in a capacitor C2 using a sample and hold circuit SH.
  • the peak value of the current lamp cathode voltage increases continuously.
  • the duration of the preheating phase is determined so that the lamp cathodes are always brought to the same temperature.
  • V Kheiss / V Cold (R2 + R3) / R3
  • R2 2R3
  • the duration of the preheating phase is preferably limited to a maximum value (e.g. 2 seconds) if, for various reasons, e.g. preheating current that is too low or cathodes that are already hot after a brief power failure, it is not possible to reach the preselected ratio V Kheiss / V Kkalt .
  • FIG. 6 shows another circuit arrangement with which the method according to the invention can also be carried out.
  • the peak value of the lamp cathode voltage is measured with the aid of an A / D converter AD and the measured values are forwarded to a microprocessor MP.
  • a microprocessor MP By numerically comparing the value measured first at the beginning of the preheating phase and the current value of the lamp cathode voltage, it is possible to end the preheating phase when the preselected ratio V Kheiss / V Kkalt is reached and to apply the ignition voltage to precisely preheated lamp cathodes .
  • FIGS. 5 and 6 can be used regardless of whether the Fluorescent lamp with mains frequency or with higher frequencies is operated.
  • Figure 7 is another circuit arrangement shown with several fluorescent lamps. At several fluorescent lamps, it can be advantageous to Measurement of the average temperature of the lamp cathodes to detect multiple lamp cathode voltages in series.
  • the main purpose of the invention is based on the temperature of the lamp cathodes precisely coordinated, optimal duration of the preheating time to achieve.
  • the procedure is based on the temperature of the lamp cathodes precisely coordinated, optimal duration of the preheating time to achieve.

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  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei hochwertigen Vorschaltgeräten zum Betrieb von Leuchtstofflampen werden die Lampenkathoden vorgeheizt, bevor die Zündspannung an die Leuchtstofflampe angelegt wird. Dadurch wird die Lebensdauer der Leuchtstofflampen gegenüber einer Kaltzündung wesentlich verlängert. Aus der EP-A-0 118 309 und der DE-OS-32 02 445 sind Schaltungsanordnungen bekannt, bei welchen die Dauer der Vorheizung der Lampenkathoden fest eingestellt ist. Wenn die Dauer der Vorheizung der Lampenkathoden auf diese Weise festgelegt ist, werden bei dem im wesentlichen konstanten Vorheizstrom die verschiedenen Typen von Leuchtstofflampen mit verschiedenen Widerstandswerten der Lampenkathoden ungleichmässig beheizt. Weil die optimale Temperatur der Lampenkathoden bei der Zündung zwischen 600 und 700°C beträgt, ist es praktisch nicht möglich, eine für alle Typen von Leuchtstofflampen optimale Dauer der Vorheizzeit fix einzustellen. Als Folge der festen Vorheizzeit und des im wesentlichen konstanten Vorheizstromes werden deshalb am selben Vorschaltgerät diejenigen Leuchtstofflampen mit niederohmigen Lampenkathoden unterheizt und die Leuchtstofflampen mit hochohmigen Lampenkathoden überheizt, was zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Leuchtstofflampen und zu höheren Betriebskosten führt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zum Vorheizen und Zünden von Leuchtstofflampen zu schaffen, bzw. eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens, womit eine optimale und von verschiedenen Widerstandswerten der Lampenkathoden unabhängige Dauer der Vorheizzeit erzielt wird.
Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Die Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens ist durch die Merkmale des Anspruchs 7 gekennzeichnet.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • Figur 1 eine schematische Darstellung einer Leuchtstofflampe, die mit einem mit Netzfrequenz arbeitenden Vorschaltgerät betrieben wird,
  • Figur 2 eine schematische Darstellung einer Leuchtstofflampe, die mit einem mit Hochfrequenz arbeitenden Vorschaltgerät betrieben wird,
  • Figur 3 zeitliche Abläufe der Lampenkathodenspannung in der Vorheizphase bei den bekannten Schaltungsanordnungen,
  • Figur 4 zeitliche Abläufe der Lampenkathodenspannungen in der Vorheizphase gemäss der Erfindung,
  • Figur 5 eine Ausführungsform der Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung,
  • Figur 6 eine andere Ausführungsform der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung, und
  • Figur 7 eine weitere Ausführungsform der Schaltungsanordnung gemäss der Erfindung mit mehreren Leuchtstofflampen.
    • In Figur 1 sind eine Leuchtstofflampe LL mit ihren Lampenkathoden LK1, LK2, ein Starter S und eine Drossel Ld in einer Schaltungsanordnung schematisch dargestellt. Diese bekannte Schaltungsanordnung entspricht dem induktiven Betrieb der Leuchtstofflampe bei Netzfrequenz (50-60 Hz). Bei dem Schalter S handelt es sich um einen elektronischen Starter, wie er z.B. in der Schrift EP-A-0 118 309 beschrieben ist. In der Vorheizphase der Lampenkathoden wird dieser Schalter geschlossen und nach einer fest voreingestellten Zeitdauer geöffnet. Bei der Oeffnung des Schalters wird der Strom durch die Drossel Ld unterbrochen und durch die an der Drossel Ld induzierte Spannung wird die Leuchtstofflampe LL gezündet. Weil der Wert der Induktivität der Drossel Ld durch die Lampenspannung und den Lampenstrom im Betrieb bestimmt sind, muss die Dauer der Vorheizzeit für den somit gegebenen Vorheizstrom so gewählt werden, dass auch die Leuchtstofflampen mit der niederohmigsten Kathode gezündet werden können. Dadurch werden die Leuchtstofflampen mit hochohmigen Lampenkathoden zu lange mit diesem Vorheizstrom betrieben, was solche Leuchtstofflampen unnötig überheizt und ihre Lebensdauer verkürzt.
    In Figur 2 ist eine Leuchtstofflampe LL mit einem Serieresonanzkreis mit einem Koppelkondensator Ck, einer Resonanzdrossel Lr und einem Resonanzkondensator Cr schematisch dargestellt. Dieser Serieresonanzkreis wird bei elektronischen Vorschaltgeräten verwendet, bei welchen die Leuchtstofflampe mit höherer Frequenz (20-90 kHz) betrieben wird. Im Vorheizbetrieb wird die Frequenz gegenüber der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises so verändert, dass die über dem Resonanzkondensator und damit über der Leuchtstofflampe liegende Spannung keine Zündung der Leuchtstofflampe verursacht, und wobei ein im wesentlichen konstanter Strom durch die Lampenkathoden LK1 und LK2 fliesst und diese so vorheizt. Nach Ablauf der fest vorgewählten Dauer der Vorheizphase wird die Frequenz in die Nähe der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises gebracht und dadurch die Spannung über dem Resonanzkondensator Cr so erhöht, dass die Leuchtstofflampe gezündet wird. Dieses Verfahren zum Vorheizen der Lampenkathoden mit vorgewählter Dauer der Vorheizzeit hat genau die gleichen Nachteile für die Lampenlebensdauer wie bei der Schaltungsanordnung von Figur 1 erläutert.
    In Figur 3 sind die zeitlichen Verläufe der Lampenkathodenspannungen Vk einer niederohmigen Lampenkathode VKN und einer hochohmigen Lampenkathode VKH dargestellt, wenn beide Lampenkathoden mit im wesentlichen gleichem Vorheizstrom und während der gleichen Zeitdauer vorgeheizt werden. Im Zeitpunkt to wird der Vorheizstrom eingeschaltet und die Lampenkathodenspannung Vk ist direkt proportional dem Widerstand der kalten Lampenkathoden. Die an die Lampenkathoden momentan abgegebene Heizleistung PH ist gleich dem Produkt des Vorheizstromes in zweiter Potenz und des Widerstandes der Lampenkathode. Die jeweiligen Endtemperaturen der niederohmigen VKN und der hochohmigen VKH Lampenkathode im Zeitpunkt th sind in Figur 3 eingetragen. Es ist ersichtlich, dass bei fester Dauer der Vorheizzeit th-to die hochohmige Lampenkathode, die mit grösserer Leistung geheizt wird, gegenüber der niederohmigen Lampenkathode wesentlich höhere Temperaturen am Ende der Vorheizphase erreicht.
    Gemäss der Erfindung wird nun die Kathodentemperatur der Lampe vor der Zündung ermittelt. Die Lampenkathoden bestehen aus Wolframdraht mit einem Temperaturkoeffizienten 0,5 %/K. Aus der Messung der Lampenkathodenspannung Vk kann man damit direkt auf die Temperatur der Lampenkathoden schliessen, wenn die Spannung der kalten Lampenkathode bekannt ist.
    In Figur 4 sind die zeitlichen Verläufe der Lampenkathodenspannungen in einem vorteilhaften Fall gemäss der Erfindung dargestellt. In diesem Fall wird die Dauer der Vorheizzeit so bestimmt, dass eine vorgewählte Temperatur der Lampenkathode erreicht wird. Ist diese Temperatur z.B. ca. 600°C, so beträgt das Verhältnis des Widerstandes der heissen Lampenkathode zu dem Widerstand der kalten Lampenkathode etwa 3. Die Zündung der Lampe kann also eingeleitet werden, wenn der ermittelte Widerstand der heissen Kathode das Dreifache des zuvor ermittelten Widerstandes der kalten Kathode beträgt.
    In Figur 5 ist ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung dargestellt, welche die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ermöglicht. Dabei wird die Lampenkathodenspannung Vk gleichgerichtet und ihr Spitzenwert an einem Kondensator C1 gemessen. Der Spitzenwert der ersten Halbwelle, welche der Spannung über der kalten Lampenkathode bzw. dem Widerstand der kalten Kathode entspricht, wird mit Hilfe einer Sample & Hold Schaltung SH in einem Kondensator C2 gespeichert. Durch Erhitzung der Lampenkathode steigt der Spitzenwert der momentanen Lampenkathodenspannung ständig an. Mit Hilfe eines Spannungsteilers R2/R3 und eines Komparators COM wird die Zeitdauer der Vorheizphase so bestimmt, dass die Lampenkathoden immer auf die gleiche Temperatur gebracht werden. Der Ausgang des Komparators wird nämlich bei folgender Bedingung umgeschaltet: VKheiss/VKkalt = (R2+R3)/R3 Das Verhältnis der Spannungen, bzw. der Kathodenwiderstände von 3:1, welches der beispielsweise angenommenen Temperatur von etwa 600°C entspricht, wird also bei ca. R2 = 2R3 erreicht, bzw. wenn die Lampenkathodenspannung in der Vorheizphase etwa verdreifacht wird.
    Die Dauer der Vorheizphase wird vorzugsweise zusätzlich auf einen maximalen Wert begrenzt (z.B. 2 Sekunden), wenn aus verschiedenen Gründen, z.B. zu kleiner Vorheizstrom oder bereits heisse Kathoden nach einem kurzzeitigen Netzausfall, das Erreichen des vorgewählten Verhältnisses VKheiss/VKkalt nicht möglich ist.
    In Figur 6 ist eine andere Schaltungsanordnung dargestellt, mit welcher die Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung auch möglich ist. Hier wird der Spitzenwert der Lampenkathodenspannung mit Hilfe eines A/D Wandlers AD gemessen und die gemessenen Werte werden an einen Mikroprozessor MP weitergeleitet. Durch den numerischen Vergleich des zuerst gemessenen Wertes am Anfang der Vorheizphase und des momentanen Wertes der Lampenkathodenspannung ist es möglich, die Vorheizphase beim Erreichen des vorgewählten Verhältnisses VKheiss/ VKkalt zu beenden und die Zündspannung an genau vorgeheizte Lampenkathoden zu bringen.
    Die Schaltungsanordnungen in den Figuren 5 und 6 können unabhängig davon verwendet werden, ob die Leuchtstofflampe mit Netzfrequenz oder mit höheren Frequenzen betrieben wird.
    In Figur 7 ist eine weitere Schaltungsanordnung mit mehreren Leuchtstofflampen dargestellt. Bei mehreren Leuchtstofflampen kann es vorteilhaft sein, zur Messung der durchschnittlichen Temperatur der Lampenkathoden mehrere Lampenkathodenspannungen in Serie zu erfassen.
    Der hauptsächliche Zweck des erfindungsgemässen Verfahrens ist eine auf die Temperatur der Lampenkathoden genau abgestimmte, optimale Dauer der Vorheizzeit zu erzielen. Durch die indirekte Messung der Temperatur der Lampenkathoden wird ein Verfahren geschaffen, bei welchem die Lebensdauer der Leuchtstofflampen unabhängig vom Typ der Leuchtstofflampe optimal ausgenützt werden kann. Nur mit einer genauen Vorheizung der Lampenkathoden lassen sich hohe Schaltzahlen und möglichst hohe Lebensdauer der Leuchtstofflampen erreichen.

    Claims (11)

    1. Verfahren zum Vorheizen und Zünden mindestens einer Leuchtstofflampe (LL) mit heizbaren Lampenkathoden (LK1, LK2), wobei die Lampenkathoden mittels einer an einer Versorgungsspannung betriebenen Schaltungsanordnung nach dem Einschalten der Versorgungsspannung zunächst derart vorgeheizt werden, dass über der Leuchtstofflampe (LL) keine zur Zündung der Leuchtstofflampe in der Vorheizphase ausreichende Spannung entsteht und wobei nach einer bestimmten Zeitdauer der Vorheizphase eine Zündspannung an die Leuchtstofflampe angelegt wird, und während der Vorheizphase der Widerstand mindestens einer der Lampenkathoden oder die Spannung über mindestens einer der Lampenkathoden gemessen wird, und dass die Zeitdauer der Vorheizphase in Abhängigkeit von der Messung bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar nach der Einschaltung der Versorgungsspannung der Widerstand oder die Spannung über der kalten Lampenkathode gemessen und gespeichert wird, dass nachfolgend momentane Werte von Widerstand oder Spannung über der sich erwärmenden Lampenkathode gemessen werden, dass der gespeicherte Wert mit dem momentanen Wert des Widerstandes oder der Spannung über der warmen Lampenkathode verglichen wird und dass nach dem Erreichen eines vorbestimmten Verhältnisses des momentanen zu dem gespeicherten Wert des Widerstandes oder der Spannung über der Lampenkathode die Zündspannung an die Leuchtstofflampe (LL) angelegt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Zeitdauer der Vorheizphase vorbestimmt ist, nach deren Ablauf die Zündung unabhängig von der Messung eingeleitet wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vorbestimmte Verhältnis des Widerstandes oder der Spannung über der warmen Lampenkathode zu dem Widerstand oder Spannung über der kalten Lampenkathode so gewählt wird, dass die Lampenkathoden eine Temperatur im Bereich zwischen 450 und 900°C vor dem Anlegen der Zündspannung erreichen.
    4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Zeitdauer der Vorheizphase der Leuchtstofflampe im Bereich zwischen 1 und 5 Sekunden gewählt wird.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampenkathodenspannung gleichgerichtet wird, dass die an der kalten Lampenkathode gemessene Spannung an einem Kondensator (C2) gespeichert und mit der gleichgerichteten, über einen Spannungsteiler (R2,R3) abgeschwächten, momentanen Spannung der Lampenkathode mit Hilfe eines Komparators (COM) so lange verglichen wird, bis die gespeicherte Spannung der kalten Lampenkathode mit der abgeschwächten, momentanen Spannung der warmen Lampenkathode übereinstimmt und dass nach der Umschaltung des Ausgangssignals des Komparators (COM) die Zündspannung an die Leuchtstofflampe angelegt wird.
    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung der Lampenkathode periodisch mit Hilfe eines A/D-Wandlers gemessen wird, der erste, der kalten Lampenkathode entsprechende Wert in einem Speicher eines Mikroprozessors abgelegt wird, die nachfolgenden Messwerte der Spannung der warmen Lampenkathoden numerisch mit dem gespeicherten Wert so lange verglichen werden, bis eine vorgewählte Uebereinstimmung der numerischen Werte vorliegt und dass danach die Zündspannung an die Leuchtstofflampe angelegt wird.
    7. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Messschaltung zur Erfassung der Lampenkathodenspannung, gekennzeichnet durch ein Speichermittel zur Speicherung des Messwertes der Spannung über der kalten Lampenkathode und ein Vergleichsmittel zum Vergleich der gespeicherten Spannung mit einer gemessenen momentanen Spannung.
    8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine parallel zur Lampenkathode geschaltete Serieschaltung mit einer Diode, einem Widerstand (Rl) und einem zur Erfassung des Spitzenwertes der Lampenkathodenspannung vorgesehenen Kondensator (C1).
    9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch einen die Lampenkathodenspannung periodisch messenden A/D-Wandler (AD) und einen die Signale des A/D-Wandlers verarbeitenden Mikroprozessor (MP).
    10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine die Spannung der kalten Lampenkathode festhaltende Sample & Hold Schaltung (SH) und durch eine die momentane Spannung und die Spannung der kalten Lampenkathode vergleichende Schaltung (COM).
    11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 11 zum Betrieb einer Serieschaltung von mindestens zwei Leuchtstofflampen, wobei die jeweils benachbarten Lampenkathoden (LK3; LK4; LK5; LK6) der Leuchtstofflampen in Serie geschaltet sind, jede solche Serieschaltung parallel zu einer zweiten Wicklung eines jeweils zusätzlichen Trenntransformators (TR5.2; TR6.2) und die jeweils zugehörige erste Wicklung des Trenntransformators (TR5.1, TR6.1) seriell geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung zur Messung der Lampenkathodenspannung zur Messung der Spannung mehrerer Lampenkathoden vorgesehen ist.
    EP92118404A 1992-10-28 1992-10-28 Verfahren und Schaltungsanordnung zum Zünden von Leuchtstofflampen bei vorbestimmter Temperatur der Lampenkathoden Expired - Lifetime EP0594880B1 (de)

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