<Desc/Clms Page number 1>
VOEDINGSSCRAKELING VOOR GASONTLADINGSLAMPEN
De uitvinding heeft betrekking op een schakeling voor het uit een energiebron voeden van tenminste een gasontladingslamp, omvattende een met de energiebron verbindbare frequentieomzetter voor het voeden van de gasontladingslamp met een basisfrequentie die hoger is dan de netfrequentie, een in serie met de gasontladingslamp geschakelde, inductieve ballast en een startschakeling.
Dergelijke schakelingen zijn algemeen bekend.
Deze tot de stand van de techniek behorende schakelingen zijn voorzien van een aparte startschakeling, waardoor het aantal componenten van dergelijke, tot de stand van de techniek behorende schakelingen aanzienlijk
EMI1.1
is.
Bovendien vereisen dergelijke startschakelingen afzonderlijke besturingsschakelingen, waardoor het aantal componenten en de gecompliceerdheid nog wordt vergroot.
Het doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een dergelijke schakeling, waarbij het aantal componenten aanzienlijk kleiner is.
Dit doel wordt bereikt, doordat de inductieve ballast tenminste deel uitmaakt van de startschakeling.
Als gevolg van deze maatregelen vervult tenminste een deel van de inductieve ballast een dubbele funktie ; zij vervult haar klassieke funktie van ballast, en bovendien haar funktie als deel van de startschakeling. Dit leidt tot een aanzienlijke reductie in het aantal componenten.
Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm is de inductieve ballast van een tussenaftakking voorzien.
Deze maatregel maakt het mogelijk dat door de startschakeling in het ene deel van de ballast opgewekte spanningen door de werking als autotransformator van de van een tussenaftakking voorziene inductieve ballast vergroot worden in het andere deel van de inductieve ballast.
Hierdoor wordt de relatief hoge ontsteekspanning verkregen, zodat de startschakeling op zich een niet zo bij-
<Desc/Clms Page number 2>
zonder hoge spanning behoeft op te wekken.
Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm is de tussenaftakking van de inductieve ballast door een condensator met een niet met de ballast verbonden aansluiting van een gasontladingslamp verbonden.
Hierdoor wordt een trillingskring verkregen die gevormd wordt door het eerste deel van de inductieve ballast en de condensator, welke trillingskring als startschakeling fungeert. Hierbij wordt opgemerkt dat de resonantiefrequentie van deze trillingskring hoog is, en wel minstens enige grootteorden hoger dan algemeen gebruikelijke netfrequenties, zodat een dergelijke schakeling zonder verdere maatregelen bij voeding door het distributienet niet zou werken, omdat de eigen frequentie van de kring buiten het aangeboden spectrum ligt. Als gevolg van het feit dat daarentegen bij de onderhavige uitvinding een frequentieomzetter wordt toegepast die een spanningssignaal afgeeft met een breed frequentiespectrum, is het mogelijk dat de eigen frequentie van de trillingskring in het aangeboden spectrum aanwezig is, en de trillingskring aldus wordt aangeslagen.
Volgens weer een verdere uitvoeringsvorm is aan de condensator een weerstand parallel geschakeld. Deze weerstand dient voor het ontladen van de condensator.
Volgens weer een andere uitvoeringsvorm is de condensator door een bestuurbaar schakelelement met de niet met de ballast verbonden aansluiting van de gasontladingslamp verbonden. Dit leidt tot de mogelijkheid dat de startschakeling na een startperiode wordt afgebroken, hetgeen in het bijzonder van belang is bij een defecte lamp ; hiermee wordt immers voorkomen dat bij een niet-startende lamp de startschakeling blijft werken en de inductieve ballast aan spanningen wordt onderworpen.
Verdere aantrekkelijke voorkeursuitvoeringsvormen blijken uit de overige onderconclusies.
Vervolgens zal de uitvinding worden toegelicht aan de hand van bijgaande tekeningen, waarin voorstellen :
<Desc/Clms Page number 3>
figuur 1 : een schema van een eerste schakeling volgens de uitvinding ; figuur 2 : een schema van een tweede schakeling volgens de uitvinding ; en figuur 3 : een diagram ter verklaring van de werking van de uitvinding.
In figuur 1 is een frequentieomzetter 1 getoond die is aangesloten op een wisselspanningsvoedingsnet 2 dat wordt gevormd door vier geleiders, namelijk de drie fasen en een neutrale geleider. De daartoe aangebrachte aansluiting 3 leidt naar een gelijkrichter 4 die deel uitmaakt van de frequentieomzetter.
Op de uitgangaansluitingen van de gelijkrichter 4 zijn afvlakcondensatoren 5, 6 aangesloten die in serie zijn geschakeld. Het middenpunt tussen beide afvlakcondensatoren 5, 6 is verbonden met de neutrale geleider. Voor het opwekken van de spanning met de hoge frequentie zijn de uitgangsaansluitingen van de gelijkrichter 4 verbonden met twee als halve brug geschakelde schakelelementen 7, 8.
In het onderhavige geval worden deze schakelelementen gevormd door transistoren, doch het is evenzeer mogelijk hiervoor gebruik te maken van andere schakelelementen, bijvoorbeeld IGBT's, FETs, GTO-transistoren of thyristoren die uiteraard van een daartoe geschikte doofschakeling moeten zijn voorzien. Elk van de schakelementen is van een vrijloopdiode 9, 10 voorzien, waarvan het gebruik aan vaklieden duidelijk zal zijn.
Voor het besturen van de transistoren wordt gebruik gemaakt van een aandrijfschakeling 11, respectievelijk 12.
De desbetreffende schakelingen zijn verbonden met de schakelelektrode van de schakelelementen, en dus in het onderhavige geval met de basis van de transistor. Elk van de aandrijfschakelingen 11, 12 is verbonden met een besturingsschakeling 13. De besturingsschakeling 13 geeft pulsen af aan de desbetreffende aandrijfschakelingen 11, 12 voor het openen, dan wel sluiten van de schakelelementen 7, respectievelijk 8. De besturingsschakeling draagt er
<Desc/Clms Page number 4>
zorg voor dat, om kortsluiting te voorkomen, slechts een van beide schakelelementen geleidend is, waarbij de besturing zodanig is uitgevoerd, dat op het verbindingspunt tussen beide schakelelementen, welk verbindingspunt met 14 is aangeduid, een pulsvormige spanning ontstaat.
Er wordt hierbij op gewezen dat in de bovenste helft van het in figuur 3 afgebeelde diagram de golfvorm van de schakelpulsen van de schakelelementen is weergegeven.
Hieruit blijkt dat de schakelpulsen een vaste frequentie hebben en dat hun breedte zodanig wordt bestuurd, dat de resulterende spanning een benadering vormt van een sinusvormig signaal. Hierdoor ontstaat een hoofdzakelijk sinusvormige stroom, zoals in de onderste helft van figuur 3 is afgebeeld, die uiteraard in fase is verschoven door de inductieve last, waarbij de frequentie van de hoofdzakelijk sinusvormige signalen ongeveer een orde van grootte hoger ligt dan die van de gangbare netspanningen. Door de sinusvormigheid van deze signalen wordt een reductie van de ijzerverliezen in de inductantie bereikt.
Het is uiteraard mogelijk andere dan sinusvormige resulterende spanningen op te laten wekken, bijvoorbeeld trapeziumvormige spanningen. Dit kan leiden tot een vermindering van de schakelverliezen in de schakelelementen.
De keuze hiervan zal door optimalisatie voor een bepaalde toepassing moeten worden bepaald.
Bij de in figuur 1 weergegeven uitvoeringsvorm zijn twee lampen 15, 16 aangesloten op de frequentieomzetter i.
Elk van de lampen is voorzien van een voorschakelapparaat 17, respectievelijk 18, dat gevormd wordt door een ballast 19, respectievelijk 20. Elk van de ballasten 19, respectievelijk 20, is van een ijzeren kern voorzien die door middel van een streep in de figuur is gerepresenteerd. De ballasten 19, 20 hebben elk de configuratie van een autotransformator. Dit betekent dat zij van een tussenaftakking zijn voorzien, waarbij overigens beide, aldus gevormde delen van de zelfinductie onderling zijn gekoppeld, zodat de werking van een autotransformator wordt verkre-
<Desc/Clms Page number 5>
gen. De tussenaftakking van elk van de inductanties is door middel van een condensator 21, respectievelijk 22, verbonden met de neutrale geleider, en dus met de andere zijde van de lampen.
Parallel aan beide condensatoren 21, 22 is een weerstand 23, 24 met een hoge waarde geschakeld om de condensatoren 21, 22 bij het uitschakelen van de schakeling te kunnen laten ontladen.
Het zal duidelijk zijn dat door de dubbele functie van de zelfinductie, het aantal componenten in vergelijking met een tot de stand van de techniek behorende schakeling aanzienlijk verkleind is. Aldus is de schakeling vereenvoudigd.
De werking van de voorschakelapparaten 17, 18 is zodanig, dat door de frequentieomzetter een pulsvormige spanning met een breed frequentiespectrum op de ingangsaansluitingen van de voorschakelapparaten wordt aangeboden. Door het feit dat de lampen 15, 16 zijn gedoofd, is alleen het eerste deel van de inductantie 19 en 20 stroomvoerend, welk deel tezamen met de codensator 21, respectievelijk 22, een trillingskring vormt. Deze trillingskring is zodanig gedimensioneerd, dat de eigen frequentie van de trillingskring tenminste gelegen is in het spectrum van de frequentieomzetter aangeboden signaal, zodat resonantie optreedt. Als gevolg van deze resonantie zal in het andere deel van de inductantie 19, respectievelijk 20, een hoge spanning worden opgewekt, en wel zodanig hoog, dat de lampen 15, 16 worden ontstoken.
De lampen gaan dan gewoon branden, waarbij de ballast zijn eigenlijke, stabiliserende functie uitoefent.
Het zal duidelijk zijn dat diverse veranderingen op de getoonde schakeling kunnen worden aangebracht. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk op een frequentieomzetter een enkele gasontladingslamp aan te sluiten, doch is het evenzeer mogelijk een veel groter aantal gasontladingslampen op een een frequentieomzetter aan te sluiten. In het bijzonder deze laatste uitvoeringsvorm is aantrekkelijk voor assimilatieverlichting, waarbij met een beperkt
<Desc/Clms Page number 6>
aantal frequentieomzetters, die uiteraard wel daartoe moeten zijn gedimensioneerd, een groot aantal gasontladingslampen kan worden gevoed.
Een dergelijke situatie is bijvoorbeeld ook toepasbaar bij pylonen voor openbare verlichting, waarbij een groot aantal lampen op een pyloon bevestigd is die door een enkele frequentieomzetter zouden kunnen worden gevoed.
Het is uiteraard mogelijk de frequentieomzetter als dimmer te gebruiken. Hiermee is het mogelijk de lichtopbrengst en het energieverbruik van de verlichtingsinstallatie aan te passen aan de momentane behoefte, bijvoorbeeld als functie van het weer of het jaargetijde. Dit laatste is in het bijzonder van belang bij warmte-krachtkoppeling.
Een dimfunctie kan worden verkregen door het veranderen van de spanning op de tussenkring, door pulsbreedtemodulatie of het veranderen van de herhalingsfrequentie van de modulatiefunctie.
Verder toont figuur 2 een uitvoeringsvorm die in het bijzonder geschikt is voor noodverlichting. Deze schakeling komt overeen met de in figuur 1 afgebeelde schakeling, met dien verstande, dat er slechts sprake is van een lamp 15 en een enkel voorschakelapparaat 17, terwijl voeding plaatsvindt door middel van een batterij of accu in plaats van door het elektriciteitsnet. De batterij neemt de plaats in van de gelijkrichter 4. De batterij is in figuur 2 aangeduid met het referentienummer 25. Het is bij deze schakeling uiteraard ook mogelijk verscheidene lampen te voeden.
Bij de in figuur 2 afgebeelde schakeling is verder in plaats van de bij figuur 1 gebruikte halve brug gebruik gemaakt van een dubbele brug, oftewel twee halve bruggen.
Deze toegevoegde halve brug omvat transistoren 28, 29 die wederom elk voorzien zijn van vrijloopdiode 30, respectievelijk 31, en die elk voorzien zijn van een aandrijfschakeling 32, respectievelijk 33. Deze brugschakeling maakt het mogelijk uit te gaan van een energiebron die slechts
<Desc/Clms Page number 7>
ten opzichte van de nulspanning een positieve of negatieve spanning levert. Dergelijke schakelingen zijn overigens uitgebreid bekend, bijvoorbeeld bij de aandrijving van motoren.
Bovendien is de bij de in figuur 2 afgebeelde uitvoeringsvorm de condensator 21 door middel van een schakelaar 27 verbonden met de andere zijde van de lamp. De stuuraansluiting van de schakelaar 27, waarvoor een halfgeleidende schakelaar, zoals een triac of een mechanische schakelaar kan worden gebruikt, is verbonden met de besturingsschakeling 13. In plaats daarvan kan uiteraard tevens een andere besturingsschakeling worden toegepast. Deze schakelaar 27 wordt bij het ontsteken van de lamp ingeschakeld. Wanneer de lamp brandt, hetgeen bijvoorbeeld door een aparte detectieschakeling kan worden gedetecteerd, of na het verstrijken van een zekere tijdsduur, bijvoorbeeld een minuut, kan de schakelaar 27 worden uitgeschakeld. Hierdoor wordt voorkomen dat bij een defecte, uiteraard niet startende lamp de ballast steeds belast wordt met hoogspanningspulsen.
Overigens wordt er op gewezen dat het bekend is dat de kleurkwaliteit van hogedruk-natriumlampen verbeterd kan worden door pulsstroomwerking, zie publikatie"The High Pressure Sodium Lamp" (ISBN 90 201 19028). Hiervoor moet de lampstroom gedurende een fractie van de geleiding tot een hoge piekwaarde worden gebracht.
Dit kan met het systeem van deze uitvinding gerealiseerd worden door twee ballastspoelen in serie te plaatsen. Een eerste, volgens het voorgaande reeds aanwezige spoel bezit dan een hoge inductiewaarde en een lage verzadigingsstroom en een tweede, extra aangebrachte spoel bezit een lagere inductiewaarde en een hoge verzadigingsstroom. De eerste spoel zal de stroom beperken tot het magnetisch materiaal van de kern in verzadiging gaat ; nadien zal de stroom sterk toenemen, en wordt deze alleen beperkt door de lagere inductiewaarde van de tweede spoel die zodanig gedimensioneerd is, dat deze niet in verzadi-
<Desc/Clms Page number 8>
ging gaat.
<Desc / Clms Page number 1>
POWER SUPPLY FOR GAS DISCHARGE LAMPS
The invention relates to a circuit for supplying at least one gas discharge lamp from an energy source, comprising a frequency converter connectable to the energy source for supplying the gas discharge lamp with a base frequency higher than the mains frequency, an inductive series connected in series with the gas discharge lamp. ballast and a starting circuit.
Such circuits are generally known.
These prior art circuits are provided with a separate starting circuit, whereby the number of components of such prior art circuits is considerably
EMI1.1
is.
In addition, such starting circuits require separate control circuits, which further increases the number of components and the complexity.
The object of the present invention is to provide such a circuit, wherein the number of components is considerably smaller.
This object is achieved because the inductive ballast is at least part of the starting circuit.
As a result of these measures, at least part of the inductive ballast fulfills a double function; it fulfills its classic function of ballast, and moreover its function as part of the starter circuit. This leads to a significant reduction in the number of components.
According to a preferred embodiment, the inductive ballast is provided with an intermediate branch.
This measure makes it possible for voltages generated by the starting circuit in one part of the ballast to be increased in the other part of the inductive ballast by the autotransformer function of the intermediate branched inductive ballast.
The relatively high ignition voltage is hereby obtained, so that the starting circuit per se does not
<Desc / Clms Page number 2>
without having to generate high voltage.
According to a further preferred embodiment, the intermediate branch of the inductive ballast is connected by a capacitor to a connection of a gas discharge lamp which is not connected to the ballast.
As a result, a vibration circuit is formed which is formed by the first part of the inductive ballast and the capacitor, which vibration circuit acts as a starting circuit. It is noted here that the resonant frequency of this vibrating circuit is high, at least a few orders of magnitude higher than commonly used mains frequencies, so that such a circuit would not work without further measures when supplied by the distribution network, because the natural frequency of the circuit is outside the offered spectrum. lies. Due to the fact that in the present invention, on the other hand, a frequency converter is used which outputs a voltage signal with a wide frequency spectrum, it is possible that the natural frequency of the oscillating circuit is present in the offered spectrum, and the oscillating circuit is thus excited.
According to yet a further embodiment, a resistor is connected in parallel to the capacitor. This resistor serves to discharge the capacitor.
According to yet another embodiment, the capacitor is connected by a controllable switching element to the connection of the gas discharge lamp which is not connected to the ballast. This leads to the possibility that the starting circuit is interrupted after a starting period, which is particularly important in the case of a defective lamp; after all, this prevents the starting circuit from continuing to operate in the case of a non-starting lamp and the inductive ballast from being subjected to voltages.
Further attractive preferred embodiments are evident from the other sub-claims.
The invention will be elucidated hereinbelow with reference to the annexed drawings, in which:
<Desc / Clms Page number 3>
figure 1: a diagram of a first circuit according to the invention; figure 2 shows a diagram of a second circuit according to the invention; and Figure 3 is a diagram for explaining the operation of the invention.
In figure 1 a frequency converter 1 is shown, which is connected to an AC voltage supply network 2 which is formed by four conductors, namely the three phases and a neutral conductor. The connection 3 arranged for this purpose leads to a rectifier 4 which forms part of the frequency converter.
Smoothing capacitors 5,6 connected in series are connected to the output terminals of the rectifier 4. The midpoint between both smoothing capacitors 5, 6 is connected to the neutral conductor. To generate the high-frequency voltage, the output terminals of the rectifier 4 are connected to two switching elements 7, 8 connected as half-bridge.
In the present case, these switching elements are formed by transistors, but it is equally possible to use other switching elements for this purpose, for example IGBTs, FETs, GTO transistors or thyristors, which must of course be provided with a suitable extinguishing circuit. Each of the switching elements is provided with a freewheeling diode 9, 10, the use of which will be clear to those skilled in the art.
A drive circuit 11 and 12, respectively, is used to control the transistors.
The relevant circuits are connected to the switching electrode of the switching elements, and thus in the present case to the base of the transistor. Each of the drive circuits 11, 12 is connected to a control circuit 13. The control circuit 13 supplies pulses to the respective drive circuits 11, 12 for opening or closing the switching elements 7 and 8. The control circuit carries
<Desc / Clms Page number 4>
ensure that, in order to prevent short circuits, only one of the two switching elements is conductive, the control being designed in such a way that a pulse-shaped voltage is created at the connection point between the two switching elements, which connection point is indicated by 14.
It is pointed out here that the top half of the diagram shown in Figure 3 shows the waveform of the switching pulses of the switching elements.
This shows that the switching pulses have a fixed frequency and that their width is controlled so that the resulting voltage approximates a sinusoidal signal. This produces a substantially sinusoidal current, as shown in the lower half of Figure 3, which is of course shifted in phase by the inductive load, the frequency of the mainly sinusoidal signals being about an order of magnitude higher than that of the conventional mains voltages . Due to the sinusoidal shape of these signals, a reduction of the iron losses in the inductance is achieved.
It is of course possible to generate other than sinusoidal resulting stresses, for example trapezoidal stresses. This can lead to a reduction of the switching losses in the switching elements.
The choice of this will have to be determined by optimization for a particular application.
In the embodiment shown in figure 1, two lamps 15, 16 are connected to the frequency converter i.
Each of the lamps is provided with a ballast 17, 18, respectively, which is formed by a ballast 19 and 20, respectively. Each of the ballasts 19, 20, respectively, is provided with an iron core, which is indicated by a stripe in the figure. represented. The ballasts 19, 20 each have the configuration of an autotransformer. This means that they are provided with an intermediate branch, in which, incidentally, both parts of the self-induction thus formed are mutually coupled, so that the operation of an autotransformer is obtained.
<Desc / Clms Page number 5>
gene. The intermediate tap of each of the inductances is connected by means of capacitors 21 and 22, respectively, to the neutral conductor, and thus to the other side of the lamps.
A resistor 23, 24 with a high value is connected in parallel to both capacitors 21, 22 in order to allow the capacitors 21, 22 to discharge when the circuit is switched off.
It will be clear that due to the double function of the self-inductance, the number of components is considerably reduced compared to a circuit belonging to the prior art. The circuit is thus simplified.
The operation of the ballasts 17, 18 is such that a pulse voltage with a wide frequency spectrum is applied by the frequency converter to the input terminals of the ballasts. Due to the fact that the lamps 15, 16 are extinguished, only the first part of the inductance 19 and 20 is current-carrying, which part together with the codenser 21 and 22 respectively form a vibration circuit. This oscillating circuit is dimensioned such that the natural frequency of the oscillating circuit lies at least in the spectrum of the signal presented by the frequency converter, so that resonance occurs. As a result of this resonance, a high voltage will be generated in the other part of the inductance 19 and 20, respectively, and so high that the lamps 15, 16 are ignited.
The lamps then simply light up, whereby the ballast performs its actual stabilizing function.
It will be clear that various changes can be made to the circuit shown. For example, it is possible to connect a single gas discharge lamp to a frequency converter, but it is equally possible to connect a much larger number of gas discharge lamps to a frequency converter. In particular, the latter embodiment is attractive for assimilation lighting, which is limited
<Desc / Clms Page number 6>
number of frequency converters, which must of course be dimensioned for this purpose, a large number of gas discharge lamps can be fed.
Such a situation is also applicable, for example, to pylons for public lighting, where a large number of lamps are mounted on a pylon that could be powered by a single frequency converter.
It is of course possible to use the frequency converter as a dimmer. This makes it possible to adjust the light output and energy consumption of the lighting installation to the current need, for example as a function of the weather or the season. The latter is of particular importance in cogeneration.
A dimming function can be obtained by changing the voltage on the intermediate circuit, by pulse width modulation or by changing the repetition frequency of the modulation function.
Furthermore, figure 2 shows an embodiment which is particularly suitable for emergency lighting. This circuit corresponds to the circuit shown in figure 1, with the proviso that there is only a lamp 15 and a single ballast 17, while power is supplied by a battery or accumulator instead of the mains. The battery takes the place of the rectifier 4. The battery is indicated in Fig. 2 with the reference number 25. It is of course also possible to supply various lamps in this circuit.
In the circuit shown in Figure 2, instead of the half bridge used in Figure 1, a double bridge, or two half bridges, has been used.
This additional half-bridge comprises transistors 28, 29, which are again each provided with freewheeling diodes 30 and 31, respectively, and each with a driving circuit 32 and 33, respectively. This bridge circuit makes it possible to start from an energy source that only
<Desc / Clms Page number 7>
provides a positive or negative voltage relative to the zero voltage. Such circuits are, incidentally, extensively known, for example in the drive of motors.
In addition, in the embodiment shown in Figure 2, capacitor 21 is connected to the other side of the lamp by means of a switch 27. The control terminal of the switch 27, for which a semiconductor switch, such as a triac or a mechanical switch, can be used, is connected to the control circuit 13. Another control circuit can of course also be used instead. This switch 27 is switched on when the lamp is ignited. When the lamp is lit, which can be detected, for example, by a separate detection circuit, or after a certain period of time, for example a minute, has elapsed, the switch 27 can be turned off. This prevents the ballast from always being loaded with high voltage pulses in the case of a defective lamp, which of course does not start.
Incidentally, it is pointed out that it is known that the color quality of high-pressure sodium lamps can be improved by pulse current action, see publication "The High Pressure Sodium Lamp" (ISBN 90 201 19028). For this, the lamp current must be brought to a high peak value during a fraction of the conductivity.
This can be achieved with the system of this invention by placing two ballast coils in series. A first, according to the foregoing, already present coil then has a high induction value and a low saturation current and a second, extra-arranged coil has a lower induction value and a high saturation current. The first coil will limit the current until the magnetic material of the core becomes saturated; afterwards, the current will increase sharply, and will be limited only by the lower inductance value of the second coil which is dimensioned such that it does not saturate
<Desc / Clms Page number 8>
went going.