Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Gasentladungslampe
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Gasentladungslampe, insbesondere einer Niederdruck-Entladungslampe, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bei der Entwicklung von elektronischen Vorschaltgeräten zum Betreiben von Gasentladungslampen sind im wesentlichen zwei Aufgaben zu erfüllen. Zum einen soll das elektronische Vorschaltgerät einen zuverlässigen und effektiven Lampenbetrieb ermöglichen, zum anderen sollten das Vorschaltgerät und die Lampe andere Einreichungen in ihrer Funktion nicht beeinträchtigen oder Auswirkungen auf die Umwelt haben.
Um einen möglichst hohen Lampenwirkungsgrad zu erzielen, werden Gasenüadungslampen üblicherweise mit Hochfrequenzen in einem Bereich von 20 bis 50 kHz betrieben. Bei diesen Frequenzen kann die Elektronendichte im Plasma der Leuchtstofflampe dem Zeitverlauf des Stromes nicht mehr folgen, so daß sich eine im wesentlichen zeitlich konstante, mittlere Elektronendichte einstellt. In diesem Fall entsteht dann bei einem Nulldurchgang der Netzversorgung keine Stromlücke mehr bis zu einem Wiederzünden der Lampe, so daß gegenüber einem Lampenbetrieb bei der üblichen Netzfrequenz von 50 Hz bei gleichbleibendem Lichtstrom eine Reduzierung der aufgenommenen elektrischen Leistung um 8 bis 10% erreicht werden kann.
Andererseits entstehen durch den Hochfrequenz-Betrieb der Lampe hochfrequente Wechselfelder, bei denen eine Auswirkung auf die Umwelt nicht vollständig ausgeschlossen werden kann. Beispielsweise könnten diese Wechselfelder zu Beschwerden von in der Nähe befindlichen Personen, beispielsweise Kopfschmerzen oder dergleichen führen. Insbesondere bei Gasentladungslampen, welche die Form länglicher Röhren aufweisen, müssen Maßnahmen zum Begrenzen der abgestrahlten Feldstärke getroffen werden.
Die einfachste Möglichkeit, das Entstehen von hochfrequenten Feldern zu vermeiden, besteht darin, die Betriebsfrequenz der Lampe wieder zu senken, sie im Idealfall mit Gleichstrom zu betreiben. Allerdings ist ein Lampenbetrieb mit reiner Gleichspannung praktisch nicht möglich, da Gasentladungslampen eine negative Kennlinie aufweisen. Dieser kann unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nur durch die Verwendung einer Drossel sinnvoll entgegen gewirkt werden. Ein reiner Gleichspannungsbetrieb hat ferner den Nachteil, daß die Elektroden der Lampe ungleich abgenützt werden, was sich in
einer ungleichmäßigen Färbung bzw. Schwärzung des Glases der Elektrodenumgebung äußert.
Eine Schaltungsanordnung, welche zum einen einen hochfrequenten Lampenbetrieb realisiert und zum anderen in einem relativ begrenzten Ausmaß hochfrequente Wechselfelder erzeugt, ist in der WO 86/04752 beschrieben. Dabei wird die Lampe in einer vier steuerbare Schalter umfassenden Vollbrückenschaltung angeordnet und derart angesteuert, daß in einer ersten Betriebsphase zwei sich diagonal gegenüberliegende Schalter geöffnet werden, während einer der beiden Schalter der zweiten Brückendiagonale permanent geschlossen und der andere hochfrequent getaktet wird. Während dieser Zeit wird die Lampe im wesentlichen in gleicher Richtung vom Strom durchflössen. Um die mit der Zeit auftretenden schädlichen Ablagerungen an den Elektroden zu vermeiden, werden nach einiger Zeit in einer zweiten Betriebsphase die vier Schalter derart angesteuert, daß die beiden zuvor permanent geöffneten Schalter geschlossen bzw. hochfrequent getaktet werden, während beiden die anderen Schalter nun geöffnet sind, was effektiv einer Umpolung der Lampe entspricht. Auf diese Weise wird die Lampe mit einem niederfrequenten Spannungssignal betrieben, das mit einer hochfrequenten Schwingung überlagert ist. Da allerdings die Amplitude der hochfrequenten Schwingung relativ klein ist, werden hochfrequente Wechselfelder nur in einem relativ geringen Ausmaß erzeugt und abgestrahlt.
Ausgehend von einer derartigen Vollbrückenschaltung ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Gasentladungslampe - vorzugsweise einer Niederdruck-Entladungslampe - anzugeben, durch die die Lampe mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben wird und die zum anderen einen effektiven Lampenstart ermöglicht. Gleichzeitig soll die Abstrahlung von Hochfrequenzfeldern reduziert werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung, welche die Merkmale des Anspruches 1 aufweist, gelöst. Analog zu dem bekannten Stand der Technik wird die Lampe mit einer Vollbrückenschaltung derart betrieben, daß in einem Normalbetrieb mit einer ersten Frequenz zwischen den beiden Brückendiagonalen umgeschaltet wird, wobei jeweils die Schalter der einen Brückendiagonale geöffnet und die Schalter der anderen Brückendiagonale geschlossen sind bzw. mit einer zweiten Frequenz, die größer ist als die erste Frequenz, getaktet werden. Auch hier wird somit die Gasentladungslampe in dem Normalbetrieb mit einem Spannungssignal betrieben, das sich aus einem ersten niederfrequenten Signal mit einer relativ hohen Amplitude sowie einem zweiten hochfrequenten Signal mit niedriger Amplitude zusammensetzt. Erfindungsgemäß wird jedoch zum Starten der Lampe der mit der
Gleichspannungsversorgung der Vollbrückenschaltung verbundene Schalter einer Halbbrücke geöffnet, während der zweite Schalter dieser Halbbrücke geschlossen wird und zeitgleich die beiden Schalter der anderen Halbbrücke hochfrequent geöffnet und geschlossen werden. Somit wird die Lampe zum Starten mit einer Wechselspannung betrieben, deren Amplitude größer ist als die Amplitude des niederfrequenten Spannungssignals im Normalbetrieb und deren Frequenz kleiner oder gleich der zweiten Hochfrequenz ist. Somit wird die Lampe zum Starten kurzfristig mit einem starken Hochfrequenzsignal betrieben, während sie nach dem Zünden mit einer niederfrequent umgeschalteten Gleichspannung angesteuert wird, die lediglich von der Hochfrequenz überlagert ist. Auf diese Weise wird ein deutlich besserer und schonenderer Lampenstart erzielt. Gleichzeitig wird aber auch eine auf sehr geringe Werte einstellbare Abstrahlung gewährleistet, die zu keinen gesundheitlichen Beeinträchtigungen von in der Umgebung befindlichen Menschen führt, da das Hochfrequenz-Signal den Lampen-Gleichstrom entsprechend gering überlagert. Ferner wird durch das periodische Umschalten des Lampenstromes mit einer Nieder-Frequenz beispielsweise im mHz- bis Hz-Bereich gewährleistet, daß sich die Elektroden gleichmäßig abnutzen und keine ungleichmäßige Färbung oder Schwärzung der Lampen an einem Ende auftritt.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Da durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ein zuverlässiger Lampenbetrieb ermöglicht wird und gleichzeitig die Abstrahlung hochfrequenter Wechselfelder deutlich reduziert wird, können sehr hohe Frequenzen für die im Normalbetrieb getakteten Schalter verwendet werden. Insbesondere ist es denkbar, die Schalter mit einer Frequenz oberhalb von 1 MHz - vorzugsweise sogar im Bereich zwischen 2,2 MHz und 3,0 MHz - zu takten. Dies ist etwa 20 bis 100 mal höher als die derzeit üblichen Betriebsfrequenzen zwischen 20 kHz und 50 kHz. Auf diese Weise eröffnet sich die Möglichkeit für eine Erhöhung des Lampenwirkungsgrades. Der Frequenzbereich zwischen 2,2 MHz und 3,0 MHz ist dabei besonders günstig, da die europäischen Normen in diesem Frequenzfenster eine etwas erhöhte Störab Strahlung auf das Stromversorgungsnetz in Form von Oberwellen zulassen.
Ferner hat sich überraschender Weise gezeigt, daß Niederdruck-Entladungslampen bei diesen Höchstfrequenzen äußerst zündwillig sind. Dabei ist das erfindungsgemäße Taktschema insbesondere auch für einen Lampenstart im Megahertz-Bereich geeignet. Aufgrund der hohen Zündwilligkeit kann möglicherweise sogar auf ein Vorheizen der Lampenelektroden verzichtet werden und die Lampe statt dessen sofort kalt gestartet werden. Dies bedeutet wiederum, daß ein relativ einfacher Schaltungsaufbau realisiert werden kann.
Wird tatsächlich ein Lampenbetrieb im Megahertz-Bereich gewählt, so ergibt sich als weiterer Vorteil, daß die Kapazitäts- und Induktivitätswerte einiger in der Schaltungsanordnung verwendeter Bauteile derart reduziert werden können, daß anstelle der Verwendung von diskreten Bauelementen eine Integrierung dieser möglich ist. Insbesondere passive Bauelemente wie Drosseln und Kapazitäten, die beispielsweise Bestandteil eines in dem Brückenzweig angeordneten Serienresonanzkreises sein können, oder Transformatoren bieten sich für die Integrierung an, so daß eine deutliche Reduzierung der Abmessungen der gesamten Schaltung erreicht werden kann. Die Integrierung der Bauelemente kann beispielsweise im Rahmen einer mehrlagigen Leiterplattenschaltung erfolgen. Vorzugsweise wird die Mehrlagenschaltung durch eine LTCC-(Low Temperatur Cofired Ceramic) Struktur realisiert, welche aus mehreren übereinander angeordneten niedrig sinternden Keramikschichten oder - folien besteht, zwischen denen sich Leiterbahnen, Kapazitäten bildende Dielektrikum-Schichten oder dergleichen befinden.
Im folgenden soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 ein Vorschaltgerät mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
Fig. 2 ein Taktschema zum erfindungsgemäßen Ansteuern der vier Schalter der Vollbrückenschaltung; und
Fig. 3 den idealisierten zeitlichen Verlauf der an der Lampe anliegenden Spannung.
Den mit der Netzwechselspannung u,, verbundenen Eingang des in Fig. 1 gezeigten Vorschaltgerätes bildet eine Gleichrichterschaltung 1, beispielsweise ein Brückengleichrichter oder dgl. Zum Glätten der gleichgerichteten Netzwechselspannung un befindet sich zwischen dem positiven Ausgang der Gleichrichterschaltung 1 und dem Eingang der Vollbrückenschaltung ein als Speicherkondensator fungierender Elektrolytkondensator Cβ.
Die Vollbrückenschaltung umfaßt vier steuerbare Schalter Sl bis S4, die beispielsweise durch MOS-Feldeffekttransistoren gebildet werden. In dem Brückenzweig zwischen den Mittelabgriffen der beiden Halbbrücken befindet sich die Gasentladungslampe LA, bei der es sich insbesondere um eine Niederdruck-Entladungslampe handelt. Ferner ist in dem Brückenzweig ein Serienresonanzkreis aus einer Drosselspule L und einem Resonanzkondensator Cl angeordnet, wobei die Niederdruck-Entladungslampe LA und
der Resonanzkondensator Cl parallel geschaltet sind. Das Ansteuern der vier Schalter Sl bis S4 erfolgt durch eine nicht dargestellte Steuerschaltung.
Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung kann in bekannter Weise durch Überwachungsschaltungen, welche Lampenbetriebsparameter - beispielsweise die Lampenspannung und den Lampenstrom - erfassen und abhängig davon das Ansteuern der Schalter bzw. der Lampe beeinflussen, ergänzt werden. Dabei wäre auch das Erfassen von Lampendefekten oder dgl. möglich. Derartige Schaltungserweiterungen sind jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung und sollen daher nicht weiter berücksichtigt werden.
Das Ansteuern der vier Schalter Sl bis S4 der Vollbrückenschaltung soll nun anhand der Fig. 2 beschrieben werden. Erfindungsgemäß sollen während einer Startphase T, lediglich die Schalter einer der beiden Halbbrücken, im dargestellten Beispiel die Schalter Sl und S2 der linken Halbbrücke, getaktet werden. Zum Starten der Lampe LA wird daher der Schalter S3 geöffnet (0), der Schalter S4 geschlossen (I) und die Schalter Sl und S2 werden wechselweise hochfrequent geöffnet und geschlossen. Die sich dadurch ergebene an der Entladungslampe LA anliegende idealisierte Lampenspannung ULA ist in Fig. 3 gezeigt. Wie der Signalverlaufskurve entnommen werden kann, ergibt sich eine hochfrequente Wechselspannung mit einer Frequenz f3 und einer relativ großen Amplitude U3. Dabei liegt die Frequenz f3 vorzugsweise oberhalb von 1 MHz, besonders vorteilhaft im Bereich zwischen 2,2 MHz und 3,0 MHz. Da sich Gasentladungslampen bei diesen Frequenzen äußerst zündwillig zeigen, kann auf ein Vorheizen der Elektroden der Lampe LA möglicherweise verzichtet werden. Allerdings kann es von Vorteil sein, wenn die Frequenz f3 des Taktsignals für die Schalter Sl und S2 zum Starten der Lampe LA in Richtung der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises abgesenkt wird.
Nach dem Zünden der Lampe LA werden die vier Schalter Sl bis S4 in einem Normalbetrieb angesteuert. Dabei werden in einem ersten Zustand T! die beiden Schalter S2 und S3 der einen Brückendiagonale permanent geöffnet, während der Schalter Sl permanent geschlossen wird und der Schalter S4 hochfrequent getaktet wird. Auch die Schaltfrequenz f2 für den Schalter S4 liegt vorzugsweise zwischen 2,2 MHz und 3,0 MHz, beispielsweise bei ca. 2,65 MHz, und ist gleich hoch oder höher als die Frequenz f3. Nach einer gewissen Zeit wechselt dann die Steuerschaltung in einen zweiten Zustand T2, in dem nun die beiden Schalter Sl und S4 der zuvor getakteten Brückendiagonale geöffnet werden, während nun Schalter S3 geschlossen und Schalter S2 ebenfalls mit der Frequenz f2 hochfrequent getaktet wird. Das
Wechseln zwischen den beiden Zuständen T, und T2 erfolgt mit einer sehr niedrigen Frequenz f 1.
Dementsprechend ergibt sich ini Normalbetrieb die ebenfalls in Fig. 3 dargestellte an der Lampe LA anliegende Lampenspannung U^. Dabei ist anzumerken, daß aus Gründen der Übersichtlichkeit das Verhältnis zwischen der Hochfrequenz f2 und der niedrigen Umschaltfrequenz fl nicht korrekt dargestellt ist. Die Hochfrequenz f2 liegt vorzugsweise im Megahertz-Bereich, während die Umschaltfrequenz fl z.B. 50 Hz und sogar deutlich weniger - bis zu wenigen mHz - betragen kann. Insgesamt ergibt sich jedoch eine sehr nieder-frequente Spannung mit einer Amplitude U1} der eine hochfrequente Spannung mit einer sehr kleinen Amplitude U2 überlagert ist. Uj ist dabei niedriger als die Zündspannung U3. Da allerdings in erster Linie die hochfrequenten Signalanteile für die Umweltverträglichkeit des Systems Lampe-Vorschaltgerät zu beachten sind, kann eine gesundheitliche Beeinträchtigung ausgeschlossen werden. Im übrigen ist die Startphase T, nur sehr kurz, so daß auch hier das Verursachen von Beschwerden ausgeschlossen werden kann.
Aufgrund der sowohl in der Startphase T, als auch während des Normalbetriebs Tj und T2 auftretenden Hochfrequenzanteile in den Steuerspannungen, können für den Serienresonanzkreis Drosseln und Kondensatoren mit relativ niedrigen Kapazitäts- und Induktivitätswerten verwendet werden. In diesem Fall ist es möglich, diese Bauteile in eine Mehrlagenschaltung, beispielsweise eine LTCC-Mehrlagenschaltung zu integrieren. Derartige Mehrlagenschaltungen, die aus mehreren übereinander angeordneten niedrig sinternden Keramikschichten bestehen, finden bereits in weiten Bereichen Anwendung. Für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung stellt dies jedoch eine besonders vorteilhafte Ausführungsform dar, da in diesem Fall die Abmessungen der Schaltanordnung bzw. des gesamten Vorschaltgerätes deutlich reduziert werden können, was wiederum zur Folge hat, daß ohne größeren Aufwand weitere Abschirmvorrichtungen an dem Vorschaltgerät angebracht werden können.