BE1009331A3

BE1009331A3 - Voedingsschakeling voor gasontladingslampen.

Info

Publication number: BE1009331A3
Application number: BE9500365A
Authority: BE
Inventors: Tichelen Paul Jos Luc Van; Dominique Weyen
Original assignee: Vito
Priority date: 1995-04-20
Filing date: 1995-04-20
Publication date: 1997-02-04
Also published as: EP0739154B1; DK0739154T3; ATE228752T1; DE69624970T2; DE69624970D1; EP0739154A1; ES2185741T3

Abstract

De uitvinding heeft betrekking op een schakeling voor het uit een energiebron (3) voeden van tenminste een gasontladingslamp (15,16), omvattende een met de energiebron (2) verbindbare frequentieomzetter (1) voor het voeden van de gasontladingslamp (15,16) met een basisfrequentie die hoger is dan de netfrequentie, een in serie met de gasontladingslamp (15,16) geschakelde, inductieve ballast (19,20) en een startschakeling (17,18), waarbij de inductieve ballast (19,20) tenminste deel uitmaakt van de startschakeling (17,18). Als gevolg van deze maatregelen vervult tenminste een deel van de inductieve ballast (19,20) een dubbele funktie, zij vervult haar klassieke funktie van ballast, en bovendien haar funktie als deel van de startschakeling (17,18).

Description

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-

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 :

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

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-

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

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

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-

ging gaat.

Claims

CONCLUSIES 1. 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, met het kenmerk, dat tenminste een deel van de inductieve ballast deel uitmaakt van de startschakeling.
2. Schakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de inductieve ballast van een tussenaftakking is voorzien.
3. Schakeling volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de tussenaftakking van de inductieve ballast door een condensator met de niet met de inductieve ballast verbonden aansluiting van de gasontladingslamp is verbonden.
4. Schakeling volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat aan de condensator een weerstand parallel is geschakeld.
5. Schakeling volgens conclusie 3 of 4, met het kenmerk, dat de condensator door een bestuurbaar schakelelement met de niet met de ballast verbonden aansluiting van de gasontladingslamp is verbonden.
6. Schakeling volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de frequentieomzetter is voorzien van een gelijkspanningstussenkring met condensatoren die gevoed wordt door een gelijkrichtschakeling die verbonden is met een een neutrale geleider omvattend voedend net, en die door een halve brug van schakelende halfgeleiders verbonden is met de serieschakeling van de ballast en de lamp, welke serieschakeling overigens met de neutrale geleider verbonden is.
7. Schakeling volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de frequentieomzetter is voorzien van een gelijkspanningstussenkring met condensatoren, <Desc/Clms Page number 10> die gevoed wordt door een gelijkrichtschakeling die verbonden is met een voedend net, en die door twee halve brugschakelingen van schakelende halfgeleiders met de serieschakeling van de ballast en de lamp verbonden is.
8. Schakeling volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de frequentieomzetter is ingericht voor het afgeven van spanningspulsen, waarvan de breedte zodanig wordt gemoduleerd, dat in de door de inductieve ballast en de gasontladingslamp gevormde kring een stroom ontstaat met een herhalend patroon.
9. Schakeling volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat het herhalingspatroon een benadering van een sinus is.
10. Schakeling volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat het herhalingspatroon een benadering van een trapezium EMI10.1 is.
11. Schakeling volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de frequentieomzetter is ingericht voor het voeden van meer dan één gasontladingslamp, en dat voor elk van de gasontladingslampen een ballast en een ontsteekschakeling is aangebracht.
12. Schakeling volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat in serie met de inductieve ballast een tweede inductieve ballast is geschakeld, waarbij de tweede inductieve ballast een lagere inductie heeft dan de eerste inductieve ballast, en dat de tweede inductieve ballast een grotere verzadigingsstroom heeft dan de eerste inductieve ballastspoel.