Die Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät für
Gasentladungslampen, insbesondere Leuchtstofflampen.
Gasentladungslampen, insbesondere Leuchtstofflampen
altern während des Betriebs, wobei sich unterschiedliche
Fehlerzustände ergeben können. Insbesondere bei
Vorschaltgeräten, die zum gleichzeitigen Betrieb mehrerer
Leuchtstofflampen eingerichtet sind, können sich somit an
den einzelnen Leuchtstofflampen unterschiedliche Verhältnisse
ergeben. Dies kann durch unterschiedlichen Verschleiß
der eingesetzten Leuchtstofflampen auftreten.
Außerdem kann es vorkommen, dass von mehreren von einem
Vorschaltgerät betriebenen Leuchtstofflampen im Fehlerfalle
lediglich eine ausgefallene Leuchtstofflampe ausgewechselt
wird, während die anderen, schon gealterten
Leuchtstofflampen angeschlossen bleiben. Eine derartige
unterschiedliche Bestückung soll möglichst nicht zu unzulässigen
Betriebszuständen, wie beispielsweise der
Überlastung einzelner Leuchtstofflampen oder des Vorschaltgeräts
führen.
An älteren Leuchtstofflampen kann ein so genannter
Gleichrichtereffekt auftreten, der zu einer Überlastung
des Vorschaltgeräts führen kann. Die Leuchtstofflampe
wirkt dann ähnlich wie ein Gleichrichter und lässt den
Lampenstrom in einer Richtung bevorzugt durch, während er
in Gegenrichtung weniger gut durchgelassen wird.
Überdies wird gelegentlich gewünscht, Leuchtstofflampen
mit reduzierter Leistung betreiben, d.h. die Lampen
dimmen zu können. Bei Vorschaltgeräten, die mehrere
Leuchtstofflampen mit Leistung versorgen, sollte
sichergestellt bleiben, dass das Verlöschen einzelner
Leuchtstofflampen vermieden oder ausgeschlossen und die
Helligkeit der einzelnen Leuchtstofflampen im Wesentlichen
gleich ist. Dies soll auch dann erreicht werden,
wenn einzelne oder alle Leuchtstofflampen mehr oder weniger
gealtert sind.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein
Vorschaltgerät für Leuchtstofflampen zu schaffen, mit dem
ein sicherer Betrieb der Leuchtstofflampen möglich ist.
Diese Aufgabe wird alternativ mit den Vorschaltgeräten
nach den Ansprüchen 1 bis 3 gelöst.
Bei dem Vorschaltgerät gemäß Anspruch 1 sind wenigstens
zwei Lampenzweige vorhanden, die vorzugsweise parallel
zueinander geschaltet sind. Parallel zu jeder
Leuchtstofflampe ist zwischen ihren Hauptanschlüssen ein
Stabilisierungskondensator angeordnet, der den Betrieb
der Leuchtstofflampe stabilisiert. Dies gilt insbesondere
für den Betrieb der Leuchtstofflampen mit verminderter
Leistung. Der Stabilisierungskondensator verhindert
weitgehend, dass der von der Versorgungsschaltung gelieferte
Strom auf eine der Leuchtstofflampen kommutiert und
die andere verlöschen lässt. Es ist somit ein sicherer
Betrieb der Leuchtstofflampen auch mit geringer Leistung,
d.h. mit geringer Helligkeit möglich.
Zur Erhöhung der Sicherheit des Betriebs einer Gasentladungslampe
ist es überdies zweckmäßig, den Betrieb
der Lampe selbst zu überwachen. Dazu sieht Anspruch 2 bei
einem Vorschaltgerät eine Überwachungsschaltung vor, die
sowohl über einen Koppeltransformator als auch über einen
kapazitiven Koppelzweig mit dem Lampenzweig gekoppelt
ist. Der Koppeltransformator ist insbesondere dazu geeignet,
einen Strom zu überwachen, während der kapazitive
Koppelzweig ein der Lampenspannung entsprechendes Signal
liefern kann. Tritt an der Leuchtstofflampe eine Überspannung
auf, kann diese auch dann erfasst werden, wenn
keine unzulässige Stromänderung aufgetreten ist. Somit
kann die Gefahr von Überspannungsschäden reduziert werden.
Dies dient letztendlich dem sicheren Betrieb von
Vorschaltgeräten und Leuchtstofflampen.
Bei einem Vorschaltgerät für Mehrlampenbetrieb ist
es gemäß Anspruch 3 zweckmäßig, zwischen den einzelnen
Lampenzweigen einen Symmetriertransformator vorzusehen.
Dieser weist für jeden Lampenzweig mindestens eine Wicklung
auf, die von dem Lampenstrom durchflossen wird. Die
Wicklungen der einzelnen Lampenzweige koppeln untereinander
derart, dass Unsymmetrien, d.h. einer ungleichmäßigen
Stromaufteilung auf einzelne Lampenzweige entgegengewirkt
wird. Der Symmetriertransformator kann eine
Messwicklung aufweisen, so dass dieser einen Koppeltransformator
in obigem Sinne bildet. Die Messwicklung erfasst
dann die Differenz der in den Lampenzweigen vorhandenen
Ströme. Sind diese gleichmäßig aufgeteilt, gibt die Messwicklung
kein Signal ab. Auf diese Weise kann eine Stromverschiebung
zwischen einzelnen Lampenzweigen erfasst
werden. Entwickelt eine Leuchtstofflampe, beispielsweise
infolge von Alterung, einen Gleichrichtereffekt, ändert
sich deren Lampenstrom und die sich ergebende unterschiedliche
Stromaufteilung zwischen den Lampenzweigen
führt zu einem Signal an der Messwicklung. Letztendlich
können somit Impedanzverschiebungen zwischen Lampen erfasst
werden. Dies führt zu einem sichereren Betrieb der
Leuchtstofflampen. Insbesondere kann die Überlastung einzelner
Leuchtstofflampen vermieden werden.
Der Symmetriertrafo kann vorzugsweise für jeden Lampenzweig
eine Kompensationswicklung für den Heizstrom
enthalten, die jeweils gegensinnig zu der ihr zugeordneten
Hauptwicklung angeordnet ist. Der durch den Zündkondensator
an der Leuchtstofflampe vorbeifließende Strom
erzeugt somit einen Fluss, der dem von dem Lampenstrom
erzeugten Fluss gegensinnig ist. Der verbleibende Fluss
entspricht dem durch die Lampe fließenden Strom, so dass
die sich dann zwischen den Wicklungen verschiedener Lampenzweige
ergebende Flussdifferenz auf die Differenz der
durch die Lampen fließenden Ströme bezieht. Die Schaltung
kann durch sehr empfindlich auf fehlende Balance reagieren.
Außerdem führt ein, wo auch immer vorhandener Wendelbruch
oder eine schlechte Kontaktierung an den
Anschluss-Stiften einer Leuchtstofflampe sofort zu einer
Veränderung des von dem betreffenden Lampenzweig in dem
Symmetriertransformator hervorgerufenen Fluss, was als
Strömungsgleichgewicht erfasst und zum Abschalten des
Vorschaltgeräts herangezogen werden kann. Dies erhöht
wiederum die Sicherheit des Vorschaltgeräts bzw. des Betriebs
der Leuchtstofflampen.
Zusätzlich kann parallel zu dem Symmetriertrafo ein
kapazitiver Koppelzweig vorhanden sein, der jeweils von
einem Lampenzweig zu der Überwachungsschaltung führt. Das
hier ausgewertete Mess-Signal kann somit ein Mischsignal
sein, das sowohl dann eine Schwelle übersteigt, wenn eine
maximal zulässige Stromunsymmetrie überschritten wird als
auch dann, wenn die an einem der Lampenzweige vorhandene
Spannung zu groß wird. Die kapazitiven Koppelzweige sind
vorzugsweise zwischen ein heißes Ende der Lampen und einen
im Wesentlichen auf Masse liegenden Eingang der
Überwachungsschaltung geschaltet. Durch den sich hier
ergebenden großen Spannungsabfall über dem kapazitiven
Koppelzweig genügen geringe Kapazitätswerte und Mess-Ströme
zur Erzeugung ausreichender Signalpegel. Die kapazitiven
Koppelzweige können bedarfsweise durch die kapazitive
Kopplung der Wicklungen des Symmetriertrafos realisiert
werden.
Eine besonders zweckmäßige Kombination im Hinblick
auf den sicheren und ordnungsgemäßen Betrieb der Leuchtstofflampen
auch im Dimmtetrieb ist gegeben, wenn für die
Leuchtstofflampen sowohl ein Symmetriertrafo als auch für
jeden Lampenzweig jeweils ein Stabilisierungskondensator
vorgesehen wird. Die Stabilisierungskondensatoren können
dann für den Symmetriertrafo eine Vorlast bilden. Der
Symmetriertrafo erzeugt nicht nur ein Mess-Signal, wenn
die Stromverteilung symmetrisch wird, sondern bewirkt
darüber hinaus einen Stromausgleich, d.h. eine Kopplung
zwischen den Lampenzweigen, so dass er in Grenzen eine
gleichmäßige Stromaufteilung erzwingen kann.
Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen
der Erfindung ergeben sich aus den Schaltbildern, der
Beschreibung oder den Unteransprüchen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Vorschaltgerät für
Zweilampenbetrieb, mit Symmetriertrafo und Überwachungsschaltung
sowie mit einer Stromüberwachungsschaltung für
den Gesamtstrom als Blockschaltbild und Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform einer
Überwachungsschaltung für den Gesamtstrom als Schaltbild.
In Fig. 1 ist ein Vorschaltgerät 1 für Leuchtstofflampen
2, 3 veranschaulicht, die in zueinander parallelen
Lampenzweigen 4, 5 angeordnet sind. Die Leuchtstofflampen
2, 3 weisen jeweils zwei beheizbare Elektroden 6, 7 auf,
deren Anschlüsse 8, 9, 11, 12 nach außen geführt sind.
Dabei bilden die Anschlüsse 8, 11 Hauptanschlüsse, bei
denen der im Lampenzweig 4, 5 fließende Strom zugeführt
wird. Dieser Strom enthält einen direkt durch die Leuchtstofflampe
2, 3 fließenden Anteil sowie einen Heizstromanteil,
der durch einen Heizkreis 14, 15 fließt, in dem
die Elektroden 6, 7 angeordnet sind. In dem Heizkreis 14,
15 ist außerdem jeweils ein "hinter der Lampe" angeordneter
Zündkondensator 16, 17 angeordnet.
Die Lampenzweige 4, 5 sind jeweils über Koppelkondensatoren
18, 19 an ein gemeinsames induktives Bauelement
L, beispielsweise eine Vorschaltdrossel 21 angeschlossen.
Über diese werden die Lampenzweige 4, 5 von
einer Wechselspannungsquelle, beispielsweise einer
Wechselrichterhalbbrücke 22, mit Spannung versorgt. Die
Wechselrichterhalbbrücke 22 ist von einer Steuerschaltung
23 gesteuert, die die Schaltfrequenz der Wechselrichterhalbbrücke
22 vorgibt. Mit der Arbeitsfrequenz kann der
Betrieb des Vorschaltgeräts 1 (Zündbetrieb, Normalbetrieb)
gesteuert werden. Zum Dimmen der Lampen (Leistungsreduzierung)
wird die Schaltfrequenz erhöht.
Die Wechselrichterhalbbrücke 22 erhält von einer
Wandlerschaltung 24 eine Betriebsgleichspannung im Bereich
von 400 V, die über einen Glättungskondensator 25
geführt ist. Die Wandlerschaltung 24, die vorzugsweise
als Aufwärtswandler ausgebildet ist, erhält ihre Betriebsspannung
über ein Netzfilter 26.
Zur Symmetrierung der Ströme in den Lampenzweigen 4,
5 ist ein Symmetriertransformator 27 vorgesehen, der für
jeden Lampenzweig 4, 5 jeweils eine Hauptwicklung 28, 29
aufweist. Beide Hauptwicklungen 28, 29 koppeln miteinander
magnetisch. Sie sind von ihrer Polung her so geschaltet,
dass eine Stromzunahme in der Hauptwicklung 28
eine Vergrößerung der Spannung über der Leuchtstofflampe
3 und somit eine Vergrößerung des Stroms in dem Lampenzweig
5 bewirkt. Somit wirkt der Symmetriertransformator
27 ausbalancierend.
Der Symmetriertransformator 27 weist außerdem für
jeden Lampenzweig 4, 5 eine Heizkreiswicklung 31, 32 auf,
die zu der jeweils zugeordneten Hauptwicklung 28, 29 gegensinnig
geschaltet ist und die zu dem jeweiligen Zündkondensator
16, 17 in Reihe in dem jeweiligen Heizkreis
14, 15 angeordnet ist. Der durch die Heizkreiswicklung 31
an der Leuchtstofflampe 2 vorbeifließende Strom vermindert
in dem Symmetriertransformator 27 die von der Hauptwicklung
28 hervorgerufene Spannung. Die resultierende
Durchflutung und der resultierende Fluss in dem Symmetriertrafo
27 entspricht deshalb zunächst dem durch die
Leuchtstofflampe 2 fließenden Strom. Das Gleiche gilt,
jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen, für die Leuchtstofflampe
3. Der in dem Symmetriertransformator 27 vorhandene
Gesamtfluss ist somit die Differenz der beiden durch die
Leuchtstofflampen 2, 3 fließenden Ströme, multipliziert
mit einem konstanten Faktor. Sind die beiden Ströme
gleich groß, ist der resultierende Fluss gleich null.
Der Symmetriertransformator 27 ist außerdem mit einer
Messwicklung 33 versehen, die eine Spannung abgibt,
wenn in dem Symmetriertransformator 27 ein (sich zeitlich
ändernder) magnetischer Fluss vorhanden ist. Dies ist bei
einer unsymmetrischen Stromaufteilung der Fall. Die Messwicklung
33 ist über Widerstände 34, 35 gegen Masse abgeschlossen
und an eine Symmetrieüberwachungsschaltung 33a
angeschlossen. Diese enthält eine Brückengleichrichterschaltung
36. Die Brückengleichrichterschaltung 36 ist
beispielsweise eine Graetzbrücke, an deren Ausgang ein
Tiefpass 37, bestehend aus einem Widerstand 38 und einem
gegen Masse geschalteten Kodensator 39 angeschlossen ist.
Die von der Messwicklung 33 gelieferte gleichgerichtete
und geglättete Spannung wird der Steuerschaltung 23 zugeführt.
Diese schaltet die Wechselrichterhalbbrücke 22
ab, wenn an ihrem Eingang 41, an den der Tiefpass 37 angeschlossen
ist, einen Schwellwert übersteigt.
Zusätzlich kann eine Summenstromüberwachungsschaltung
42 vorgesehen sein, die über eine Leitung 43 ein
Signal erhält, das der Summe der in den Lampenzweigen 4,
5 fließenden Ströme entspricht. Beispielsweise kann dieses
Signal durch einen entsprechenden Messwiderstand 44
erzeugt werden. Das Signal ist zunächst ein Wechselsignal,
das mit einer Gleichrichterschaltung 45 entsprechend
gleichgerichtet werden und als Istwertsignal einem Regler
46 zugeführt werden kann. Dieser wirkt auf die Steuerschaltung
23 in einer Weise ein, dass beispielsweise
durch gezielte Frequenzverstellung der gewünschte, durch
die Lampenzweige 4 und 5 insgesamt fließende Strom erhalten
bzw. eingestellt wird.
Zusätzlich zu der Summenstromüberwachungsschaltung
42 und der Symmetrieüberwachungsschaltung 33a kann eine
Überspannungsüberwachung 47 vorgesehen werden. Zu dieser
gehören zwei kapazitive Koppelzweige 51, 52, die von dem
jeweiligen heißen Ende der Leuchtstofflampe 2, 3 abzweigen
und zu der Symmetrieüberwachungsschaltung 33a führen.
Die kapazitiven Koppelzweige 51, 52 können durch diskrete
Bauelemente mit Koppelkondensatoren aufgebaut werden. Im
vorliegenden Beispiel sind sie durch Koppelkapazitäten
53, 54 gebildet, die zwischen der Hauptwicklung 28, 29
und der Messwicklung 33 des Symmetriertransformators 27
vorhanden sind. Übersteigt die Spannungsdifferenz zwischen
der Hauptwicklung 28, 29 und der Messwicklung 33
ein zulässiges Maß, nimmt die kapazitiv in die Messwicklung
33 eingekoppelte Spannung zu, so dass letztendlich
an dem Eingang 41 eine Spannung erscheint, die die
Schwellspannung überschreitet und somit zum Abschalten
der Wechselrichterhalbbrücke 22 führt.
Zur Stabilisierung des Betriebs können "vor der Lampe",
d.h. jeweils zwischen den Elektroden 8, 11 jeder
Leuchtstofflampe 2, 3 Stabilisierungskondensatoren 55, 56
angeordnet werden. Diese haben bei zweilampiger Ausführung
eine Kapazität zwischen 100 pF und 1 nF. Durch Resonanzeffekte
mit dem Symmetriertrafo 27 ergeben sich insbesondere
im Dimmbetrieb Spannungsüberhöhungen, wenn die
Leuchtstofflampe 2, 3 verlöschen will oder verloschen
ist, so dass ein Verlöschen verhindert oder die Leuchtstofflampe
wieder gezündet wird.
Das insoweit beschriebene Vorschaltgerät 1 arbeitet
wie folgt:
Zum Zünden der Leuchtstofflampen 2, 3 steuert die
Steuerschaltung 23 die Wechselrichterhalbbrücke 22 zunächst
mit einer solchen Frequenz an, dass die aus den
Zündkondensatoren 16, 17 mit der Vorschaltdrossel 21 gebildeten
Schwingkreise in die Nähe ihrer Resonanz kommen,
so dass ein relativ großer Strom durch die Heizkreise 14,
15 fließt, die Elektroden 6, 7 vorgeheizt werden und eine
beträchtliche Spannung über den Leuchtstofflampen 2, 3
abfällt. Wenn die Leuchtstofflampen 2, 3 gezündet haben,
wird die Betriebsfrequenz geändert, so dass zu der Resonanz
ein größerer Abstand eingenommen wird. Durch die
Heizkreise 14, 15 fließen nun nur noch geringe Ströme und
die Leuchtstofflampen 2, 3 brennen im Parallelbetrieb
stabil. In diesem Betriebszustand wird der Summenstrom
der beiden Lampenzweige 4, 5 durch die Summenstromüberwachungsschaltung
42 konstant gehalten. Dazu führt der Regler
46 die Steuerschaltung 23 gemäß dem erfassten Summenstrom
nach. Soll die Helligkeit der Leuchtstofflampen 2,
3 verändert, beispielsweise vermindert werden, wird der
Sollwert des Reglers 46 entsprechend verändert, so dass
die beiden Lampenzweige 4, 5 letztendlich weniger Strom
erhalten.
In allen Betriebszuständen, insbesondere bei leistungsvermindertem
Betrieb (Dimmstufe) bewirkt der Symmetriertransformator
27 eine gleichmäßige Aufteilung des
von der Wechselrichterhalbbrücke 22 abgegebenen Stroms
auf die beiden Lampenzweige 4, 5 und letztendlich auf die
beiden Leuchtstofflampen 2, 3. Der Symmetriertransformator
27 überträgt dabei zur Herstellung der Symmetrie
bedarfsweise Energie von einem Lampenzweig 4 auf den anderen
Lampenzweig 5 oder umgekehrt. Wird beispielsweise
infolge von Alterung einer Lampe oder Auftreten eines
Gleichrichtereffekts an einer der Leuchtstofflampen 2, 3
der dazu erforderliche Aufwand zu groß, steigt die Spannung
an der Messwicklung 33 über ein Toleranzniveau hinaus
an. Entsprechend übersteigt die Spannung an dem Eingang
41 den Schwellwert und die Wechselrichterhalbbrücke
22 wird stillgesetzt. Damit kann ein Betrieb des Vorschaltgeräts
1 mit defekten Leuchtstofflampen 2, 3 verhindert
werden.
Sind die Unsymmetrien zwischen den Lampenzweigen 4,
5 nicht zu groß, so dass der Symmetriertransformator 27
eine Symmetrierung, d.h. gleichmäßige Aufteilung der
Lampenströme bewirken kann, ermöglichen die
Stabilisierungskondensatoren 55, 56 eine Symmetrierung
oder unterstützen diese, insbesondere bei sehr starken
Dimmstufen, d.h. bei Betrieb der Leuchtstofflampen 2, 3
mit sehr geringer Leistung, die nur ein oder wenige Prozent
ihrer vollen Leistung beträgt. Auf diese Weise kann
ausgeschlossen werden, dass eine der Leuchtstofflampen 2,
3 plötzlich verlischt.
Andere, beispielsweise mit der Alterung einer der
Leuchtstofflampen 2, 3 zusammenhängende Effekte können
einen unzulässigen Anstieg über einer Leuchtstofflampe 2,
3 bewirken. Ein solcher Spannungsanstieg führt über die
kapazitiven Koppelzweige 51, 52 zur Einspeisung einer
Spannung in die Symmetrieüberwachungsschaltung 33a, die,
wie bei Vorliegen einer Stromunsymmetrie, auch in diesem
Fall ein Abschaltsignal generiert. Auch hiermit ist eine
sichere Abschaltung des Vorschaltgerätes 1 möglich.
Tritt in den Leuchtstofflampen 2, 3 ein Wendelbruch
nahe dem Hauptanschluss 8, 11 auf, ändert sich der Strom
im Lampenzweig. Es ist unwahrscheinlich, dass zwei Wendeln
(Elektroden 6, 7) gleichzeitig brechen. Somit führt
ein Wendelbruch zu einer Unsymmetrie für den Symmetriertransformator
27 und somit zu einer Durchflutung desselben.
Übersteigt diese einen Schwellwert tritt an der
Messwicklung 33 eine Spannung auf, die größer als eine
Schwellspannung ist und die wiederum ein Abschaltsignal
generieren kann.
In Fig. 2 ist eine abgewandelte Ausführungsform für
eine Summenstromüberwachungsschaltung 42 veranschaulicht.
An Stelle des Messwiderstands 44 ist ein Transformator 61
vorgesehen, dessen Hauptwicklung 62 von dem Summenstrom
der beiden Lampenzweige 4, 5 durchflossen wird. Die in
den Heizkreisen 14, 15 liegende Wicklungen 64, 65 sind
entgegengesetzt gepolt und vermindern die in dem Transformator
61 von der Wicklung 62 erzeugte Durchflutung.
Letztendlich entspricht die Durchflutung des Transformators
61 der Summe der durch die Leuchtstofflampen 2, 3
fließenden Ströme. Von den in den Lampenzweigen 4, 5
fließenden Strömen sind die durch die Heizkreise 14, 15
fließenden Ströme subtrahiert. Eine Stromsensorwicklung
66 erfasst somit nur die durch die Leuchtstofflampen 2, 3
fließenden Ströme und führt diese gegebenenfalls über
eine Gleichrichterschaltung 67 dem Regler 46 zu, der vorzugsweise
als PI-Regler ausgebildet ist. Die Gleichrichterschaltung
67 kann eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung,
eine Einweg-Gleichrichterschaltung oder durch
fremdgesteuerte Schalter gebildet sein.
Ein Vorschaltgerät 1 für Gasentladungslampen, insbesondere
Leuchtstofflampen 2 weist zwei Lampenzweige 4,
5 auf, die durch einen Symmetriertransformator 27 miteinander
gekoppelt sind. Insbesondere, um einen stabilen
Dimmbetrieb zu ermöglichen, sind den Leuchtstofflampen 2,
3 Stabilisierungskondensatoren 55, 56 parallelgeschaltet.
Außerdem ist der Symmetriertransformator 27 über eine
Messwicklung 33 an eine Symmetrieüberwachungsschaltung
33a angeschlossen, die bei Vorliegen einer Unsymmetrie,
wie sie beispielsweise infolge des Auftretens eines
Gleichrichtereffekts an einer der Leuchtstofflampen 2, 3
auftreten kann, ein entsprechendes Steuersignal an eine
Steuerschaltung 23 gibt. Dies kann zum Stillsetzen des
Vorschaltgeräts 1 genutzt werden.
Eine weitere Verbesserung kann erreicht werden, indem
zusätzlich kapazitive Koppelzweige 51, 52 zwischen
den Lampenzweigen 4, 5 und der Symmetrieüberwachungsschaltung
33a vorgesehen werden.