EP0941636B1 - Schaltung mit Pumpstützdrossel, zur Verbesserung des Leistungsfaktors - Google Patents

Schaltung mit Pumpstützdrossel, zur Verbesserung des Leistungsfaktors Download PDF

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EP0941636B1
EP0941636B1 EP98933520A EP98933520A EP0941636B1 EP 0941636 B1 EP0941636 B1 EP 0941636B1 EP 98933520 A EP98933520 A EP 98933520A EP 98933520 A EP98933520 A EP 98933520A EP 0941636 B1 EP0941636 B1 EP 0941636B1
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EP
European Patent Office
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pumping
capacitor
circuit
branch
load
Prior art date
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EP98933520A
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EP0941636A1 (de
Inventor
Klaus Fischer
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Osram GmbH
Original Assignee
Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14Circuit arrangements
    • H05B41/26Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc
    • H05B41/28Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters
    • H05B41/282Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters with semiconductor devices
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14Circuit arrangements
    • H05B41/26Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc
    • H05B41/28Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S315/00Electric lamp and discharge devices: systems
    • Y10S315/07Starting and control circuits for gas discharge lamp using transistors

Definitions

  • the present invention relates to a circuit for operating a load, in particular an operating circuit for a low-pressure discharge lamp. It primarily relates to an operating circuit in which one rectified supply AC voltage for operating a half-bridge oscillator used as a frequency generator for lamp operation becomes. The invention is nevertheless neither on a lamp as a load, nor on restricted a half-bridge oscillator.
  • An essential criterion for the practical application of such circuits is the electromagnetic compatibility with regard to interference into the network or the harmonic content of the supply current draw.
  • a there is very effective further development of such a circuit in the introduction of at least one pump branch between the load circuit side and the power supply side of the frequency generator structure.
  • the pump branches generally contain capacitors as impedances - but not necessarily or necessarily exclusively.
  • Such pump branches are used for Charge shift within the circuit for the purpose of improvement the harmonic structure of the supply current consumption.
  • the electromagnetic compatibility is within the scope of this invention in particular the IEC 61000/3/2, Class C and Class D standard drawn.
  • the invention is based on a circuit for operating a load, in particular a low-pressure discharge lamp, with a Frequency generator structure for AC power supply to the load and one Pump branch to improve electromagnetic compatibility the circuit that connects the load circuit with a power supply side of the Frequency generator structure connects.
  • a pump branch with a pump throttle is in the DC range of the circuit known, in which the pump choke in AC cycle of the lamp is charged and discharged.
  • the connection point of the pump branch lies between the pump throttle and one in Forward direction for the power supply of the lamp polarized diode.
  • the invention is based on the problem, a generic Circuit in a simple way to improve their operating properties.
  • the wording of the claim is to be understood in such a way that the pump support throttle in every area of a supply voltage or current period, i.e. also in the area of the maxima, discharged to very small coil current values becomes compared to the coil current maximum. That the current curve is always zero or a very small value (with load circuit frequency) oscillating curve, the amplitude with time the rectified (pulsating) power supply voltage is modulated.
  • This current injection or charging processes of the pump support choke ensure optimal support of the pumping action of the Pump branch in favor of improved electromagnetic compatibility. In particular, this also results in the advantage of the pump branch dimension smaller in terms of its impedance and thus save costs to be able to.
  • the position of the pump support throttle in a "direct current range” means at Mains or AC power supply one location on the rectified Difference in side (pulsating direct current) of a rectifier structure to pure smoothing chokes on the AC side.
  • Another significant advantage for the operating properties of the circuit is based on the frequency dependence of the pumping action of the pump branch due to the increased number of pump cycles as the working frequency increases.
  • Conventional the pumping action is increased because of what the operation the circuit leads to difficulties.
  • it can by an excessive pumping action leads to excessive voltage increases a storage element interacting with the pump branch, in general and also in the following description on a storage electrolytic capacitor (Elko).
  • the decreasing with increasing frequency and with decreasing frequency increasing pumping action of the pump support throttle acts on the above Effect counter and also supports the pumping action of the pump branch if the frequency drops, e.g. when approaching a resonance of the load circuit (frequency-controlled discharge lamp) the power demand can rise.
  • a preferred application is a half-bridge oscillator with two Switching elements, such as field effect or bipolar transistors, the potential a center tap between two branches of a rectified power supply let it oscillate back and forth.
  • the details of starting devices and frequency controls of such half-bridge oscillators are known in the art and known to those skilled in the art. You will see below not described.
  • the load circuit frequency controlled Half-bridge oscillators represent application circuits, in which the invention can be used particularly effectively.
  • the pump branch on the power supply side between two diodes in a power supply branch can be connected. These diodes are in the forward direction polarized and fulfilled in the sense of the current flow of the power supply thus the function of a valve for the pump branch, so to speak. That they connect the pump branch to the power supply for charging and for its discharge with the frequency generator or one Storage element of the same.
  • This valve function can, at least in part, also in a different way than with the diodes described can be realized.
  • the power supply side Diode through the action of a rectifier, about a diode bridge.
  • the diodes described in an advantageous embodiment in many cases.
  • this additional bypass capacitor between pump branch and supply branch together with capacitive elements of the pump branch as a switching relief capacitor or as a so-called "trapezoidal capacitor” for the frequency generator, in particular for a switching element of a half-bridge or bridge oscillator can work.
  • Such a trapezoidal capacitor is used in the prior art Attenuation of the potential jumps of the potential generated by the frequency generator used, for example the center tap potential of one Half-bridge oscillator. This follows clearly from the fact that the mentioned oscillating potential after a switching point is not essentially can rise or fall "unchecked", but by the necessary Charging process of the trapezoidal capacitor is braked. With that the Slope of an approximated rectangular potential reduced and on trapezoidal potential curve is achieved, which is the electromagnetic compatibility the whole circuit benefits.
  • the pump branch is only connected to the load circuit via a capacitor.
  • a lamp coil (resonance choke) is provided.
  • the pump branch can be relative be connected to this coil in different ways. It is in the rest, also for the overall context of the invention, that of course two or more pump branches can also be present, which can attack the load circuit differently.
  • the pump branch can have two parallel capacitors can be connected to the load circuit, one of which is due to the intermediate tap mentioned and the other frequency generator side on the coil.
  • the described current peak damping does most of all Sense when the alternating current in the load circuit becomes a signal Recovery is recorded, for example via a resistance.
  • bridging capacitor for example with two diodes and another capacitor can be connected so that the latter Capacitor from the charge or discharge current of the bypass capacitor is loaded.
  • a control device can then be made from the latter capacitor for the frequency generator, such as an integrated control circuit for the half-bridge oscillator.
  • the center tap M1 is also initially via a lamp coil L2 and then a parallel connection from a low-pressure discharge lamp E and a resonance capacitor C4 and a DC isolating capacitor C5 and a measuring resistor R1 for the load circuit current with the lower one negative supply branch connected.
  • the pump branch is drawn in, the one on the positive supply branch on the power supply side, So left, connected by the electrolytic capacitor. This latter connection point lies between two in the forward direction for the current flow the power supply polarized diodes D1 and D2, which are also on the power supply side in front of the electrolytic capacitor.
  • the pump branch exists So from two pump capacitors C2 and C3 with the connecting lines to the load circuit and the supply branch.
  • connection point of the pump branch and the power supply side Diode D1 is a pump support choke L1, and between the connection point of the electrolytic capacitor on the positive A bridging capacitor according to the invention is located in the supply branch and the pump branch C1 to bridge the diode D2.
  • the basic function of the half-bridge oscillator is that by alternating switching operation of switches S1 and S2 the potential of the center tap M1 between that of the positive supply branch and that of the negative supply branch is pushed back and forth. In order to there is, so to speak, a "chopper oscillation" leading to AC operation of the load circuit with the low-pressure discharge lamp E and the Operating frequency of the half-bridge oscillator for controlling the operating state the low-pressure discharge lamp E is used.
  • This basic circuit is generally known, so for further details on the cited state the technology and the literature references found there can.
  • the pump branch connects the high-frequency alternating voltage from the load circuit supplied via the capacitors C2 and C3 depending on the difference between the supply input voltage U N (t) and the voltage at the electrolytic capacitor alternating half-wave (with regard to the load circuit frequency) with one or the other of the two voltages mentioned on the power supply side of the half-bridge oscillator.
  • the charge shift through the pump branch in particular reduces the sharpness of the charge acceptance by the electrolytic capacitor, which would otherwise suddenly start or stop if the electrolytic voltage is equal to the current supply voltage. Above all, this would also result in strong, low harmonic harmonics of the mains frequency, which, for example, can practically not be filtered out with smoothing chokes on the AC side.
  • the aim of the pump branch is to constantly recharge the electrolytic capacitor - modulated with the load circuit frequency.
  • This load circuit frequency disturbance can be filtered out well, as is known in the prior art, so that overall there is a significant improvement in the harmonic content of the mains current draw.
  • the pump support throttle is used L1 on the one hand to support the pumping action, so that the capacitors C2 and C3 can be designed smaller.
  • the capacitors C2 and C3 can be designed smaller.
  • it affects the frequency dependence of the pumping effect described and prevented thus overvoltage on the electrolytic capacitor.
  • the diode D2 with the bypass capacitor is also used C1 bridges so that with increasing frequency by the falling AC resistance of the capacitor C1 more and more a back and forth Pumping charge between the electrolytic capacitor and the load circuit to the Place an additional charge from the power supply occurs.
  • bypass capacitor C1 acts in series with the Capacitor C2 as a trapezoidal capacitor for the switch S1 because of the series connection this is parallel. Therefore, there is no need for a separate trapezoidal capacitor CT, as shown in dashed lines for switch S2, is the same but could also be parallel to S1. It can be seen in Fig. 1 that the dashed drawn trapezoidal capacitor CT at a potential shift on Center tap M1 with the capacitor C2 and charged in the opposite direction must be, i.e. discharged when C2 is charged and discharged must be charged from C2. The capacitors CT and C2 effectively connected in parallel. This would have a corresponding effect charging and discharging in the same direction when the trapezoidal capacitor CT is in parallel to the switch S1.
  • the omission of the trapezoidal capacitor CT creates difficulties with the discharge of the capacitor C2 and the charging of the trapezoidal capacitor CT avoided after turning off switch S2, especially in the temporal environment of the mains voltage maximum accordingly earlier charging of the pump capacitor C2 to the electrolytic voltage and a corresponding transition of the diode D2 into the conductive state occur would.
  • the capacitors C1 and C2 are connected in series suitable for intercepting "unbraked" potential jumps at the center tap M1, that would degrade electromagnetic compatibility.
  • C2 can function as a pump capacitor accordingly and undisturbed by the capacitor C1 directly in discharge the electrolytic capacitor. The same applies to switching off the other Switch S1.
  • the pump as a whole must be designed so that the charge removal from the electrolytic capacitor by charging the capacitor C1 when the switch S2 is turned on does not become too large and the pump support choke L1 can be charged (current injection) in such a way that it is sufficient high electrolytic voltage results.
  • the pump branch is only on the negative side power supply, connects the corresponding connection point the negative supply branch with the load circuit, and on the center tap side of the low-pressure discharge lamp E.
  • the in Fig. 2 dashed capacitor CT corresponds to that in Connection with Fig. 1 situation of a parallel connection of the Trapezoidal capacitor CT to switch S1.
  • FIG. 3 in turn shows an example of a circuit which corresponds to that of FIG. 1 except for the Load circuit side connection of the pump branch via the pump capacitor C3 corresponds.
  • This is connected to a center tap of the lamp coil L2, so that there is between the center tap and the low pressure discharge lamp E remaining part of the coil as a damping choke for current peaks from the pump branch.
  • Fig. 1 go these current peaks are unfiltered into the current through the low pressure discharge lamp E and the resonance capacitor C4 and are thus at a measurement via the resistor R1 also recorded. This can make it significant Disruptions in signal processing come.
  • the Resistor R1 can of course also be between the DC isolating capacitor C5 and the low pressure discharge lamp E or between this and the lamp coil L2.
  • is also in the circuit example 2 shows a connection of the pump capacitor C3 to a center tap the lamp coil L2 conceivable.
  • FIG. 4 shows a circuit example that differs from that of FIG. 3 only as a result distinguishes that the pump capacitor C2 has been omitted.
  • the The pumping power of the pump branch is determined by the exact position of the center tap set on the lamp spool.
  • the simplification shown will however bought by the disadvantage that the series connection of the capacitors C1 and C3 are no longer directly parallel to switch S2 more directly connected to the center tap M1 of the half bridge. To this To remedy the disadvantage would have to be instead of the saved capacitor additional trapezoidal capacitor CT can be added (shown in dashed lines). Its disadvantages have already been explained above.
  • FIG. 5 shows a possibility of the bypass capacitor according to the invention C1 to give another advantageous function. He is over two Diodes D5 and D6 connected to a capacitor C6. The replaces the Circuit from the diodes and the capacitor C6 the connection point of the bypass capacitor C1 on the branch of the power supply - see. Fig. 2.
  • the diodes D5 and D6 are connected to the capacitors C1 and C6 so that the current from the capacitor C1 through the diode D6 the capacitor C6 charges, but the reverse current through the diode D5 and is not pulled out of the capacitor C6.
  • This can be used as an energy source used for another facility, e.g. for an integrated Control circuit for the switches S1 and S2 of the half bridge. In order to there is no need for an independent power supply for this.
  • the voltage across the capacitor C6 can be set so that e.g. Surges on a control chip can be avoided.

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Abstract

Einer Halbbrückenoszillatorschaltung für eine Niederdruckentladungslampe (E) mit einem kapazitiven Pumpzweig wird eine Pumpstützdrossel (L1) hinzugefügt, die die Pumpwirkung des Pumpzweiges und sein Frequenzverhalten verbessert. Ferner wird zwischen den Pumpzweig und den mit ihm verbundenen Zweig der Leistungsversorgung ein zusätzlicher Kondensator (C1) geschaltet, der in Verbindung mit dem Pumpzweig als Trapezkondensator wirkt und das Frequenzverhalten des Pumpzweiges weiter verbessert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zum Betreiben einer Last, insbesondere eine Betriebsschaltung für eine Niederdruckentladungslampe. Sie bezieht sich dabei vor allem auf eine Betriebsschaltung, bei der eine gleichgerichtete Versorgungswechselspannung zum Betrieb eines Halbbrückenoszillators als Frequenzgenerator für den Lampenbetrieb verwendet wird. Die Erfindung ist gleichwohl weder auf eine Lampe als Last, noch auf einen Halbbrückenoszillator eingeschränkt.
Ein wesentliches Kriterium für die praktische Anwendung solcher Schaltungen ist die elektromagnetische Verträglichkeit im Hinblick auf Einstreuungen ins Netz bzw. den Oberwellengehalt der Versorgungsstromentnahme. Eine dahingehend sehr wirksame Weiterentwicklung einer solchen Schaltung besteht in der Einführung zumindest eines Pumpzweiges zwischen der Lastkreisseite und der Leistungsversorgungsseite der Frequenzgeneratorstruktur. Die Pumpzweige enthalten als Impedanzen im allgemeinen Kondensatoren - jedoch nicht zwangsläufig oder zwangsläufig ausschließlich. Zum Stand der Technik wird verwiesen auf die europäischen Patente 0 244 644 B1, 0 253 224 B1 sowie 0 372 303 B1. Solche Pumpzweige dienen zur Ladungsverschiebung innerhalb der Schaltung mit dem Ziel der Verbesserung der Oberwellenstruktur der Versorgungsstromaufnahme. Hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit wird im Rahmen dieser Erfindung insbesondere die Norm IEC 61000/3/2, Klasse C und Klasse D, in Betracht gezogen.
Die Beschreibung geht der Übersichtlichkeit halber von einer relativ einfachen Pumpzweigstruktur aus, die Fig. 1 in der EP 0 244 644 B1 entspricht. Der genannte Stand der Technik zeigt darüber hinaus verschiedene, auch kompliziertere Pumpzweigstrukturen. Diese und auch weitere denkbare Variationen sind im Gegenstand des Hauptanspruchs enthalten.
Dementsprechend geht die Erfindung aus von einer Schaltung zum Betreiben einer Last, insbesondere einer Niederdruckentladungslampe, mit einer Frequenzgeneratorstruktur zur Wechselstromversorgung der Last und einem Pumpzweig zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit der Schaltung, der den Lastkreis mit einer Leistungsversorgungsseite der Frequenzgeneratorstruktur verbindet.
Aus der WO-A-9607297 ist ein solcher Pumpzweig mit einer Pumpdrossel im Gleichstrombereich der Schaltung bekannt, bei der die Pumpdrossel im Wechselstromzyklus der Lampe geladen und entladen wird. Der Anschlusspunk des Pumpzweiges liegt hierbei zwischen der Pumpdrossel und einer in Durchlassrichtung für die Leistungsversorgung der Lampe gepolten Diode.
Der Erfindung liegt dabei das Problem zugrunde, eine gattungsgemäße Schaltung in einfacher Weise in ihren Betriebseigenschaften zu verbessern.
Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass der Diode ein Überbrückungskondensator parallelgeschaltet ist.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Aus der WO-A-9719578 ist ein Überbrückungskondensator für eine Diode bekannt. Bei der hier vorliegenden Schaltungsanordnung wird jedoch die Lampenelektrode direkt an den Pumpzweig mit der überbrückendenden Diode angeschlossen und nicht wie bei der vorligenden Schaltungsanordnung über einen separaten Pumpkondensator.
Die Anspruchsformulierung ist dabei so zu verstehen, dass die Pumpstützdrossel in jedem Bereich einer Versorgungsspannungs- oder Stromperiode, d.h. auch im Bereich der Maxima, auf sehr kleine Spulenstromwerte entladen wird im Vergleich zum Spulenstrommaximum. D.h. die Stromverlaufskurve ist eine immer wieder auf Null oder einen sehr kleinen Wert (mit Lastkreisfrequenz) zurückoszillierende Kurve, wobei die Amplitude mit dem Zeitverlauf der gleichgerichteten (pulsierenden) Leistungsversorgungsspannung moduliert ist. Diese Stromeinprägungs- bzw. Ladevorgänge der Pumpstützdrossel sorgen für eine optimale Unterstützung der Pumpwirkung des Pumpzweiges zugunsten einer verbesserten elektromagnetischen Verträglichkeit. Insbesondere ergibt sich daraus auch der Vorteil, den Pumpzweig hinsichtlich seiner Impedanz kleiner dimensionieren und damit Kosten einsparen zu können.
Die Lage der Pumpstützdrossel in einem "Gleichstrombereich" bedeutet bei Netz- bzw. Wechselstromleistungsversorgung eine Lage auf der gleichgerichteten Seite (pulsierender Gleichstrom) einer Gleichrichterstruktur im Unterschied zu reinen Glättungsdrosseln auf der Wechselstromseite.
Ein wesentlicher weiterer Vorteil für die Betriebseigenschaften der Schaltung beruht auf der Frequenzabhängigkeit der Pumpwirkung des Pumpzweiges durch die bei steigender Arbeitsfrequenz erhöhte Pumpzykluszahl. Konventionell wird die Pumpwirkung dadurch nämlich verstärkt, was für den Betrieb der Schaltung zu Schwierigkeiten führt. Insbesondere kann es durch eine überhöhte Pumpwirkung zu übermäßigen Spannungserhöhungen an einem mit dem Pumpzweig zusammenwirkenden Speicherelement kommen, im allgemeinen und auch in der folgenden Beschreibung an einem Speicher-Elektrolytkondensator (Elko).
Solche Frequenzerhöhungen treten z.B. auf, wenn der Lastkreis über die Frequenz des Frequenzgenerators geregelt wird, oder infolge anderer äußerer Einflüsse. Es kommt dabei aber im allgemeinen nicht zu einem erhöhten Verbrauch im Lastkreis, der der genannten Spannungserhöhung entgegenwirken könnte. Vor allem im frequenzerhöhten Vorheizbetrieb eines frequenzgeregelten Entladungslampenlastkreises oder bei einer anderweitigen Wirkleistungsreduktion bei Dimmbetrieb, Netzüberspannungen usw. steht der verstärkten Pumpwirkung im Gegenteil sogar ein erniedrigter Leistungsverbrauch gegenüber.
Die mit zunehmender Frequenz abnehmende und mit abnehmender Frequenz zunehmende Pumpwirkung der Pumpstützdrossel wirkt dem obigen Effekt entgegen und stützt darüber hinaus die Pumpwirkung des Pumpzweiges bei abfallender Frequenz, bei der z.B. bei Annäherung an eine Resonanz des Lastkreises (frequenzgeregelte Entladungslampe) die Leistungsnachfrage steigen kann.
Die obigen Zusammenhänge gelten erst recht für zumindest in der Gesamtimpedanz kapazitive Pumpzweige wegen der Frequenzabhängigkeit ihrer Impedanz. Zudem können die Kapazitäten wegen der Unterstützung durch die Pumpwirkung der Pumpstützdrossel von vornherein klein ausgelegt werden. Dies verstärkt die beschriebene Beeinflussung des Frequenzgangs des Pumpzweiges zusätzlich.
Ein bevorzugter Anwendungsfall ist ein Halbbrückenoszillator mit zwei Schaltelementen, etwa Feldeffekt- oder Bipolartransistoren, die das Potential eines Mittenabgriffs zwischen zwei Zweigen einer gleichgerichteten Leistungsversorgung hin und her oszillieren lassen. Die Einzelheiten zu Startvorrichtungen und Frequenzregelungen solcher Halbbrückenoszillatoren sind Stand der Technik und dem Fachmann bekannt. Sie werden im folgenden nicht beschrieben. Wie oben bereits erläutert, stellen dabei die lastkreisfrequenzgeregelten Halbbrückenoszillatoren Anwendungsschaltungen dar, bei denen die Erfindung besonders wirksam eingesetzt werden kann.
Im oben zitierten Stand der Technik ist zu sehen, dass der Pumpzweig leistungsversorgungsseitig zwischen zwei Dioden in einem Leistungsversorgungszweig angeschlossen sein kann. Diese Dioden sind dabei in Durchlassrichtung im Sinn des Stromflusses der Leistungsversorgung gepolt und erfüllen somit sozusagen die Funktion eines Ventils für den Pumpzweig. D.h. sie verbinden den Pumpzweig zu seiner Aufladung mit der Leistungsversorgung und zu seiner Entladung mit dem Frequenzgenerator bzw. einem Speicherelement desselben.
Diese Ventilfunktion kann, zumindest teilweise, auch in anderer Art als mit den beschriebenen Dioden realisiert werden. Beispielsweise kann die leistungsversorgungsseitige Diode durch die Wirkung eines Gleichrichters, etwa einer Diodenbrücke, ersetzt sein. Die beschriebenen Dioden stellen jedoch in vielen Fällen eine vorteilhafte Ausführungsform dar.
Daraus ergibt sich ein erster Vorteil im Hinblick auf das bereits erwähnte "Überpumpen" des Speicherelements, namentlich des Elkos. Durch die Frequenzabhängigkeit der Impedanz des hinzugefügten Überbrückungskondensators kommt es mit steigender Frequenz zu einem zunehmenden Kurzschließen der genannten Diode. Dadurch wird die bei niedrigerer Frequenz und höherem Wechselstromwiderstand des Überbrückungskondensators dem Netz entnommene Ladungsmenge für das Pumpen des Pumpzweiges nun zwischen dem Pumpzweig, z.B. seinen Pumpkondensatoren, und dem Speicherelement, etwa dem Elko, hin und her gepumpt. Dadurch wird die Zunahme der dem Netz entnommenen Ladungsmenge und damit das Überpumpen des Elkos eingeschränkt.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass dieser zusätzliche Überbrückungskondensator zwischen Pumpzweig und Versorgungszweig zusammen mit kapazitiven Elementen des Pumpzweiges als Schaltentlastungskondensator bzw. als sog. "Trapezkondensator" für den Frequenzgenerator, insbesondere für ein Schaltelement eines Halbbrücken- oder Brückenoszillators, wirken kann. Ein solcher Trapezkondensator wird im Stand der Technik zur Dämpfung der Potentialsprünge des vom Frequenzgenerator erzeugten Potentials verwendet, also beispielsweise des Mittenabgriffpotentials eines Halbbrückenoszillators. Dies ergibt sich anschaulich gesagt daraus, dass das genannte oszillierende Potential nach einem Schaltpunkt nicht im wesentlichen "ungebremst" steigen oder fallen kann, sondern durch den notwendigen Umladevorgang des Trapezkondensators gebremst wird. Damit wird die Flankensteilheit eines angenäherten Rechteckpotentials verringert und ein trapezförmiger Potentialverlauf erreicht, was der elektromagnetischen Verträglichkeit der Gesamtschaltung zugute kommt.
Die Nachteile eines solchen Trapezkondensators lassen sich beispielhaft an der EP 0 244 644 B1 verdeutlichen. Wenn dort (in Fig. 1) einem der beiden Schalter ein Trapezkondensator parallelgeschaltet würde (zwischen Mittenabgriff und Versorgungszweig), so würde dieser mit der am Mittenabgriff angeschlossenen Pumpkapazität des Pumpzweiges parallelgeschaltet wirken. D.h. er würde je nach Lage parallel zum pumpzweigseitigen oder zum anderen Schalter entweder mit auf- bzw. entladen oder gegenläufig bei Aufladung des Pumpkondensators entladen und bei Entladung der Pumpkondensatoren aufgeladen werden. Die resultierende effektive Kapazität führt zu technischen Schwierigkeiten im Zusammenhang mit der begrenzten Blindleistungsspeicherung im Leistungskreis. Dies gilt vor allem für den Bereich des Maximums einer Netzversorgungsspannung, in dem durch die frühe Aufladung der Pumpkapazität die frequenzgeneratorseitige Ventildiode bereits früh leitend wird.
Auch kommt es bei im Vergleich zur Speicherelementspannung (Elko-Spannung) geringer Aufladung der Pumpkapazität zu einem entsprechenden schärferen Potentialsprung des Ausgangspotentials des Frequenzgenerators (Mittenabgriffpotential des Halbbrückenoszillators), bis die genannte Diode leitend wird.
Durch die Reihenschaltungswirkung des zusätzlichen Überbrückungskondensators mit den Kapazitäten des Pumpzweiges, insbesondere der am Mittenabgriff angeschlossenen, ergibt sich eine die obigen Schwierigkeiten vermeidende und einen weiteren Trapezkondensator erübrigende Gesamtfunktion, und zwar unabhängig vom Leitungszustand der genannten Diode.
In einer einfachen, aber dennoch wirkungsvollen Ausführungsvariante ist der Pumpzweig nur über einen Kondensator mit dem Lastkreis verbunden.
Vor allem bei Lampenbetriebsschaltungen ist im allgemeinen im Lastkreis eine Lampenspule (Resonanzdrossel) vorgesehen. Der Pumpzweig kann relativ zu dieser Spule auf unterschiedliche Art angeschlossen sein. Es ist im übrigen, auch für den Gesamtzusammenhang der Erfindung, festzustellen, dass natürlich auch zwei oder mehrere Pumpzweige vorhanden sein können, die jeweils unterschiedlich am Lastkreis angreifen können.
Eine für Stromspitzen aus dem Pumpzweig dämpfende Wirkung ergibt sich dabei, wenn statt eines bezüglich der Lampenspule lastseitigen Anschlusses ein Zwischenabgriff der Lampenspule verwendet wird, so dass ein Teil der Lampenspule als Dämpfungsdrossel für hochfrequente Stromkomponenten wirkt. Dies gilt natürlich auch bei zwei oder mehr Anschlusspunkten des oder der Zweige am Lastkreis. Insbesondere kann der Pumpzweig über zwei parallele Kondensatoren am Lastkreis angeschlossen sein, von denen einer an dem genannten Zwischenabgriff liegt und der andere frequenzgeneratorseitig an der Spule. Die beschriebene Stromspitzendämpfung macht vor allem Sinn, wenn der Wechselstrom im Lastkreis zu einer signaltechnischen Verwertung erfasst wird, etwa über einen Widerstand.
Es kann jedoch auch vorteilhaft sein - wie im zitierten Stand der Technik - bei zwei parallelen Kondensatoren des Pumpzweiges je eine lastseitige und eine frequenzgeneratorseitige Verbindung bezüglich der Spule mit dem Lastkreis zu wählen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung (siehe Figur 5) kann der bereits angesprochene Überbrückungskondensator beispielsweise mit zwei Dioden und einem weiteren Kondensator so verschaltet werden, dass der letztere Kondensator von dem Lade- oder Entladestrom des Überbrückungskondensators geladen wird. Aus dem letzteren Kondensator kann dann eine Steuereinrichtung für den Frequenzgenerator, etwa eine integrierte Steuerschaltung für den Halbbrückenoszillator, versorgt werden.
Im folgenden werden konkrete Ausführungsbeispiele für die Erfindung anhand der Fig. 1 bis 5 erläutert. Dabei beschriebene Merkmale und Einzelheiten können natürlich auch für sich oder in anderen als den gezeigten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Die Fig. 1 bis 5 zeigen jeweils eigene Ausführungsbeispiele, die sich voneinander bezüglich der Anordnung und dem Aufbau des Pumpzweigs unterscheiden. Die gestrichelt eingezeichneten Linien dienen der Veranschaulichung erfindungsgemäßer Vorteile, sind aber nicht Bestandteil der Ausführungsbeispiele.
In Fig. 1 liegt an den links gezeichneten Anschlusspunkten mit UN(t) eine gleichgerichtete Netzspannung (pulsierende Gleichspannung) an, wobei zu weiteren Einzelheiten auf den zitierten Stand der Technik verwiesen wird. Von diesen Anschlusspunkten führen zwei Versorgungszweige zu einem dazwischengeschalteten Elektrolytkondensator (Elko) als Speicherelement und einer parallel zum Elko zwischen den Versorgungszweigen liegenden Oszillatorhalbbrücke mit zwei Schaltern S1 und S2. Vom Mittenabgriff M1 ausgehend liegt jeweils eine Freilaufdiode D3 bzw. D4 zu jedem der Schalter parallel.
Der Mittenabgriff M1 ist ferner über zunächst eine Lampenspule L2 und dann eine Parallelschaltung aus einer Niederdruckentladungslampe E und einem Resonanzkondensator C4 sowie einen Gleichstromtrennkondensator C5 und einen Messwiderstand R1 für den Lastkreisstrom mit dem unteren negativen Versorgungszweig verbunden.
Im oberen Bereich des Schaltdiagramms ist ein über zwei parallele Kondensatoren C2 und C3 jeweils mit einem Anschlusspunkt unmittelbar vor bzw. unmittelbar hinter der mittenabgriffseitigen Lampenspule L2 verbundener Pumpzweig eingezeichnet, der am positiven Versorgungszweig leistungsversorgungsseitig, also links, vom Elko angeschlossen ist. Dieser letztere Anschlusspunkt liegt zwischen zwei in Durchlassrichtung für den Stromfluss der Leistungsversorgung gepolten Dioden D1 und D2, die ebenfalls leistungsversorgungsseitig vor dem Elko angeordnet sind. Der Pumpzweig besteht also aus zwei Pumpkondensatoren C2 und C3 mit den Anschlussleitungen zum Lastkreis und zum Versorgungszweig.
Zwischen dem genannten Anschlusspunkt des Pumpzweiges und der leistungsversorgungsseitigen Diode D1 liegt eine Pumpstützdrossel L1, und zwischen dem Anschlusspunkt des Elkos am positiven Versorgungszweig und dem Pumpzweig liegt ein erfindungsgemäßer Überbrückungskondensator C1 zur Überbrückung der Diode D2.
Die prinzipielle Funktion des Halbbrückenoszillators besteht darin, dass durch alternierende Schaltbetätigung der Schalter S1 und S2 das Potential des Mittenabgriffs M1 zwischen dem des positiven Versorgungszweiges und dem des negativen Versorgungszweiges hin- und hergeschoben wird. Damit ergibt sich sozusagen eine "Zerhackeroszillation", die zum Wechselstrombetrieb des Lastkreises mit der Niederdruckentladungslampe E und über die Betriebsfrequenz des Halbbrückenoszillators zur Regelung des Betriebszustandes der Niederdruckentladungslampe E dient. Diese Grundschaltung ist allgemein bekannt, so dass zu weiteren Einzelheiten auf den zitierten Stand der Technik und die dort zu findenden Literaturhinweise verwiesen werden kann.
Der Pumpzweig verbindet die über die Kondensatoren C2 und C3 gelieferte hochfrequente Wechselspannung aus dem Lastkreis je nach der Differenz zwischen der Versorgungseingangsspannung UN(t) und der Spannung am Elko halbwellenalternierend (bezüglich der Lastkreisfrequenz) mit der einen bzw. der anderen der beiden genannten Spannungen auf der Leistungsversorgungsseite des Halbbrückenoszillators. Die Ladungsverschiebung durch den Pumpzweig verringert insbesondere die Schärfe der Ladungsaufnahme durch den Elko, die sonst bei Gleichheit der Elko-Spannung mit der momentanen Versorgungsspannung plötzlich ein- bzw. aussetzen würde. Daraus würden vor allem auch starke niedere harmonische Oberwellen der Netzfrequenz resultieren, die z.B. mit Glättungsdrosseln auf der Wechselstromseite praktisch nicht ausgefiltert werden können. Mit dem Pumpzweig strebt man im Gegensatz dazu eine ständige Nachladung des Elkos an - moduliert mit der Lastkreisfrequenz. Diese lastkreisfrequente Störung ist gut ausfilterbar, wie im Stand der Technik bekannt, so dass sich insgesamt eine deutliche Verbesserung des Oberwellengehalts der Netzstromentnahme ergibt. Zu weiteren Einzelheiten hierzu und zu auch im Rahmen der Erfindung denkbaren komplizierteren Pumpzweigaufbauten wird auf den zitierten Stand der Technik verwiesen.
Wie eingangs bereits erläutert, dient die Pumpstützdrossel L1 einerseits zur Unterstützung der Pumpwirkung, so dass die Kondensatoren C2 und C3 kleiner ausgelegt sein können. Andererseits beeinflusst sie die Frequenzabhängigkeit der geschilderten Pumpwirkung und verhindert damit Überspannungen am Elko. Diese können - wie eingangs erläutert - durch die mit zunehmender Frequenz steigende Pumpleistung des kapazitiven Pumpzweiges bei gleichzeitig verminderter Leistungsaufnahme durch die zunehmende Phasenverschiebung im Lastkreis entstehen.
Erfindungsgemäß wird ferner die Diode D2 mit dem Überbrückungskondensator C1 überbrückt, so dass bei steigender Frequenz durch den sinkenden Wechselstromwiderstand des Kondensators C1 mehr und mehr ein Hinund Herpumpen von Ladung zwischen dem Elko und dem Lastkreis an die Stelle einer zusätzlichen Ladungsaufnahme von der Leistungsversorgung tritt.
Ferner wirkt der Überbrückungskondensator C1 in Serienschaltung mit dem Kondensator C2 als Trapezkondensator für den Schalter S1, weil die Serienschaltung diesem parallel liegt. Daher erübrigt sich ein eigener Trapezkondensator CT, wie er gestrichelt für den Schalter S2 gezeichnet ist, genauso aber auch parallel zu S1 liegen könnte. Man erkennt in Fig. 1, dass der gestrichelt gezeichnete Trapezkondensator CT bei einer Potentialverschiebung am Mittenabgriff M1 mit dem Kondensator C2 und gegenläufig zu diesem geladen werden muss, d.h. bei Aufladung von C2 entladen und bei Entladung von C2 aufgeladen werden muss. Damit wirken die Kondensatoren CT und C2 effektiv parallelgeschaltet. Eine entsprechende Wirkung ergäbe sich bei gleichsinniger Auf- und Entladung, wenn der Trapezkondensator CT parallel zu dem Schalter S1 läge.
Durch das Weglassen des Trapezkondensators CT werden Schwierigkeiten mit der Entladung des Kondensators C2 und der Aufladung des Trapezkondensators CT nach dem Ausschalten des Schalters S2 vermieden, die vor allem in der zeitlichen Umgebung des Netzspannungsmaximums mit entsprechend früher Aufladung des Pumpkondensators C2 auf die Elko-Spannung und entsprechendem Übergang der Diode D2 in den leitenden Zustand auftreten würden. Ferner ist die Serienschaltung der Kondensatoren C1 und C2 dazu geeignet, "ungebremste" Potentialsprünge am Mittenabgriff M1 abzufangen, die die elektromagnetische Verträglichkeit verschlechtern würden. Wenn die Diode D2 leitend wird, kann sich C2 seiner Funktion als Pumpkondensator entsprechend und ungestört von dem Kondensator C1 direkt in den Elko entladen. Entsprechendes gilt für das Ausschalten des anderen Schalters S1.
Daraus ergibt sich, dass die Pumpe insgesamt so ausgelegt sein muss, dass die Ladungsentnahme aus dem Elko durch das Aufladen des Kondensators C1 beim Einschalten des Schalters S2 nicht zu groß wird und die Pumpstützdrossel L1 so geladen werden kann (Stromeinprägung), dass sich eine ausreichend hohe Elko-Spannung ergibt.
Die geschilderten Funktionen finden sich analog in den Schaltungsbeispielen in den Fig. 2 und 3. In Fig. 2 ist der Pumpzweig lediglich zur negativen Seite der Leistungsversorgung gelegt, verbindet also den entsprechenden Anschlusspunkt des negativen Versorgungszweiges mit dem Lastkreis, und zwar mittenabgriffseitig von der Niederdruckentladungslampe E. Der in Fig. 2 gestrichelt eingezeichnete Trapezkondensator CT entspricht der im Zusammenhang mit Fig. 1 geschilderten Situation einer Parallelschaltung des Trapezkondensators CT zum Schalter S1.
Fig. 3 wiederum zeigt ein Schaltungsbeispiel, das dem aus Fig. 1 bis auf den lastkreisseitigen Anschluss des Pumpzweiges über den Pumpkondensator C3 entspricht. Dieser ist an einem Mittenabgriff der Lampenspule L2 angeschlossen, so dass sich der zwischen dem Mittenabgriff und der Niederdruckentladungslampe E verbleibende Teil der Spule als Dämpfungsdrossel für Stromspitzen aus dem Pumpzweig ergibt. Im Beispiel aus Fig. 1 gehen diese Stromspitzen ungefiltert in den Strom durch die Niederdruckentladungslampe E und den Resonanzkondensator C4 ein und werden somit bei einer Messung über den Widerstand R1 mit erfasst. Dadurch kann es zu erheblichen Störungen in der signaltechnischen Verarbeitung kommen. Der Widerstand R1 kann natürlich auch zwischen dem Gleichstromtrennkondensator C5 und der Niederdruckentladungslampe E oder zwischen dieser und der Lampenspule L2 liegen. Selbstverständlich ist auch in dem Schaltungsbeispiel nach Fig. 2 ein Anschluss des Pumpkondensators C3 an einem Mittenabgriff der Lampenspule L2 denkbar.
Fig. 4 zeigt ein Schaltungsbeispiel, das sich von dem aus Fig. 3 nur dadurch unterscheidet, dass der Pumpkondensator C2 weggelassen worden ist. Die Pumpleistung des Pumpzweiges wird dabei durch die genaue Lage des Mittenabgriffs an der Lampenspule eingestellt. Die gezeigte Vereinfachung wird jedoch durch den Nachteil erkauft, dass die Serienschaltung der Kondensatoren C1 und C3 nicht mehr direkt parallel zum Schalter S2 liegt bzw. nicht mehr direkt am Mittenabgriff M1 der Halbbrücke angeschlossen ist. Um diesen Nachteil zu beheben, müsste anstatt des eingesparten Kondensators ein zusätzlicher Trapezkondensator CT hinzugeführt werden (gestrichelt eingezeichnet). Dessen Nachteile sind oben bereits erläutert worden.
Fig. 5 zeigt eine Möglichkeit, dem erfindungsgemäßen Überbrückungskondensator C1 eine weitere vorteilhafte Funktion zu geben. Er ist über zwei Dioden D5 und D6 mit einem Kondensator C6 verbunden. Dabei ersetzt die Schaltung aus den Dioden und dem Kondensator C6 den Anschlusspunkt des Überbrückungskondensators C1 am Zweig der Leistungsversorgung - vgl. Fig. 2.
Die Dioden D5 und D6 sind mit den Kondensatoren C1 und C6 so verschaltet, dass der Strom aus dem Kondensator C1 durch die Diode D6 den Kondensator C6 auflädt, der umgekehrte Strom aber über die Diode D5 und nicht aus dem Kondensator C6 gezogen wird. Dadurch kann dieser als Energiequelle für eine andere Einrichtung verwendet werden, z.B. für eine integrierte Steuerschaltung für die Schalter S1 und S2 der Halbbrücke. Damit entfällt die Notwendigkeit einer unabhängigen Leistungsversorgung hierfür.
Durch die Wahl einer Zenerdiode D5 kann die Spannung am Kondensator C6 eingestellt werden, so dass z.B. Überspannungen an einem Steuerungschip vermieden werden können.

Claims (8)

  1. Schaltung zum Betreiben einer Last, insbesondere einer Niederdruckentladungslampe (E), mit einer Frequenzgeneratorstruktur zur Hochfrequenzwechselstromversorgung der Last und einem Pumpzweig (C2, C3) zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit der Schaltung, der den Lastkreis mit einer Leistungsversorgungsseite der Frequenzgeneratorstruktur verbindet, wobei
    auf der Leistungsversorgungsseite der Frequenzgeneratorstruktur in einem Gleichstrombereich vor dem Anschlusspunkt des Pumpzweiges in Serie zu dem Pumpzweig (C2, C3) und zu einem Zweig der Leistungsversorgung eine Pumpstützdrossel (L1) liegt, die dazu ausgelegt ist, in jedem Hochfrequenzwechselstromzyklus der Last geladen und im wesentlichen voll entladen zu werden,
    der Anschlusspunkt des Pumpzweiges zwischen der Pumpstützdrossel (L1) und einer in Durchlassrichtung für die Leistungsversorgung gepolten Diode (D2) liegt und
    dadurch gekennzeichnet, dass der Diode (D2) ein Überbrückungskondensator (C1) parallelgeschaltet ist.
  2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzgeneratorstruktur ein Halbbrückenoszillator mit zwei Schaltelementen (S1, S2) ist.
  3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebszustand der Last über die Wechselstromfrequenz des Lastkreises geregelt wird.
  4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Leistungsversorgungsseite seriell vor der Pumpstützdrossel (L1) eine in Durchlassrichtung für die Leistungsversorgung gepolte Diode (D1) liegt.
  5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpzweig nur über einen Kondensator (C3) mit dem Lastkreis verbunden ist.
  6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpzweig an einem Zwischenabgriff einer Lampenspule (L2) angeschlossen ist, insbesondere wenn der Wechselstrom im Lastkreis über einen Widerstand (R1) zur signaltechnischen Verwertung erfasst wird.
  7. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpzweig über zwei parallele Kondensatoren (C2, C3) mit dem Lastkreis verbunden ist, wobei die eine Verbindung frequenzgeneratorseitig von der Lampenspule (L2) und die andere Verbindung lastseitig von der Lampenspule (L2) oder an dem Zwischenabgriff der Lampenspule (L2) angreift.
  8. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeund/oder Entladestrom des Überbrückungskondensators (C1) zum Laden eines Energiespeichers, etwa eines Kondensators (C6), zur Versorgung einer Steuereinrichtung für den Frequenzgenerator verwendet wird.
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