CH667958A5

CH667958A5 - Vorschaltgeraet fuer eine leuchtstofflampe mit vorzuheizenden elektroden.

Info

Publication number: CH667958A5
Application number: CH55585A
Authority: CH
Inventors: Juerg Nigg
Original assignee: Juerg Nigg
Priority date: 1985-02-07
Filing date: 1985-02-07
Publication date: 1988-11-15
Also published as: EP0279073A3; EP0279073A2

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung bezieht sich auf ein Vorschaltgerät für eine Leuchtstofflampe mit vorzuheizenden Elektroden.

Es ist bekannt, dass die Lichtausbeute einer Leuchtstofflampe mit steigender Betriebsfrequenz zunimmt. Je höher die Frequenz ist, umso mehr neigt aber die Leuchtstofflampe dazu, kalt, d.h. bei noch nicht oder nicht ausreichend vorgeheizten Elektroden zu zünden. Durch solche Kaltstarts wird die Lebensdauer der Lampe erheblich herabgesetzt.

Ein weiterer Vorteil höherer Betriebsfrequenzen besteht darin, dass die untere Grenze der Umgebungstemperatur, bei der die Lampe noch zuverlässig betrieben werden kann, niedriger liegt als bei einer tieferen Betriebsfrequenz, z.B. bei 50 Hz. Das ist für die Verwendung von Leuchtstofflampen in Kühlräumen und im Freien wesentlich. Auch diesem Vorteil steht die bei höheren Frequenzen stärkere Kaltstartneigung als Nachteil gegenüber, auch bei Verwendung von Speziallampen für tiefere Temperaturen.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, ein Vorschaltgerät für eine Leuchtstofflampe mit vorzuheizenden Elektroden zu schaffen, mit welcher die Neigung zu Kaltstarts ohne Beeinträchtigung der Lichtausbeute und der Betriebsfähigkeit bei tiefen Umgebungstemperaturen vermieden werden kann. In den Patentansprüchen 2 bis 9 sind Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung angegeben.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass alle Vorteile des Hochfrequenzbetriebs ohne die die Lebensdauer verkürzende Kaltstartneigung erzielt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand lediglich einen Ausführungsweg darstellender Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt das Schaltschema eines erfindungsgemässen Vorschaltgerätes, das an eine Leuchtstofflampe mit vorzuheizenden Elektroden angeschlossen ist.

In der Zeichnung ist die Schaltung eines Hochfrequenz-Vorschaltgerätes für eine Leuchtstofflampe 1 mit vorzuheizenden Elektroden 2 und 3 dargestellt, das zum Anschluss an ein Wechselstromnetz (220 V) ausgeführt ist. Dieses Vorschaltgerät besteht in seinem grundsätzlichen Aufbau aus einem Gleichrichter 5 mit Wechselstromanschlüssen 6 und 7 für das Netz und einem Glättungskondensator 8 für die gleichgerichtete Wechselspannung, die einen Wechselrichter 10 hoher Frequenz speist. Der Wechselrichter 10 liefert an zwei Anschlüssen 11 und 12 den hochfrequenten Brennstrom für die Lampe 1, die in Reihe mit der für ihren Betrieb erforderlichen Selbstinduktionsspule 13 liegt; er enthält einen Strompfad 15, 16, 17 mit Anschlüssen 18 und 19, der anstelle des beim Betrieb mit Netzfrequenz üblichen Starters, z.B. Glimmstarters, in Reihe mit den Elektrodenwendeln (Elektroden 2) geschaltet ist. Die Spule 3 hat einen magnetischen Kern (Ferrit) mit Luftspalt.

Der Wechselrichter 10 ist im Grundprinzip ein «Half-Bridge Current-Feedback-Inverter» mit einem Transistor 22 für die Halbwellen der einen Richtung und einem Transistor 23 für die Halbwellen der anderen Richtung des Hochfrequenzstroms. Er arbeitet gemäss diesem Prinzip mit Stromrückkopplung. Dazu dient ein Stromwandler 27 mit einem magnetischen Kern (Ferrit). Der Kern und die Windungszahl der Primärwicklung 24 sind so bemessen, dass der Kern während eines Teiles jeder Hochfrequenzhalbwelle magnetisch gesättigt ist. Der Stromwandler 27 hat zwei Sekundärwicklungen 25 und 26, die je über einen Widerstand 28 bzw. 29 im Steuerstromkreis (Basis-Emitter-Kreis) eines der Transistoren 22 und 23 liegen. Dabei sind die Wicklungen 25 und 26 so angeschlossen, dass die Steuerströme gegenphasig sind. Zum Anschwingen benötigen Wechselrichter dieses Prinzips einen Stromstoss. Ein solcher wird beim Einschalten des Wechselrichters 10 durch die Schaltungselemente 32, 33 und 34 erzeugt. Die Funktion dieser und der weiteren Schaltungselemente ist aus der folgenden Beschreibung der Wirkungsweise des Wechselrichters 10 ersichtlich. Beispielsweise Daten der Schaltungselemente sind in Klammern angegeben.

Nach dem Einschalten des Wechselrichters 10 wird der Kondensator 33 (100 nF) über den Widerstand 32 (470 Kiloohm) geladen und, beim Überschreiten der Durchbruchspannung der Zenerdiode 34 (30-36 V) durch einen Stromstoss teilweise entladen, der über die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 23

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fliesst und endet, wenn die Referenzspannung der Zenerdiode

34 unterschritten wird. Durch diesen Stromstoss wird einer der betriebsmässigen Zustände des Wechselrichters 10, in dem einer der Transistoren 22 und 23 leitend und der andere nichtleitend ist, hergestellt. Der Wechselrichter 10 kann anschwingen.

Bei leitendem Transistor 22 fliesst ein den Kondensator 37 (68 nF) ladender Strom durch die an den Anschlüssen 11/12 und 18/19 angeschlossene Lampe 1, die Primärwicklung 24, die Spule 13 (5,5 mH), den Transistor 23 und den Widerstand 35 (3,9 Ohm). Bei brennender Lampe 1 fliesst dieser Strom nur zwischen den Anschlüssen 11 und 12, während des Vorheizens der Lampenelektroden 2 und 3 fliesst der Strom vom Anschluss 1 durch die Elektrode 2 (Heizwendel) zum Anschluss 18, durch den Strompfad 15, 16, 17 zum Anschluss 19 und von diesem durch die Elektrode 3 zum Anschluss 12. Dies bleibt im folgenden zunächst unbeachtet. Es wird zuerst die Wirkungsweise des Wechselrichters 10 unabhängig davon beschrieben, ob sein Laststrom der Entladungsstrom oder der Vorheizstrom der Lampe ist, und erst danach auf die Vorgänge beim Vorheizen der Elektroden 2 und 3 und beim Brennen der Lampe 1 eingegangen. Der den Kondensator 37 ladende, durch 13, 24, 23 und

35 fliessende Strom erzeugt, während er ansteigt, in der Sekundärwicklung 26 einen Steuerstrom, der den Transistor 23 nach dem Ende des zum Anschwingen ausgelösten Stromstosses leitend hält. Sobald der Primärstrom beginnt, den Magnetkern des Stromwandlers 27 zu sättigen, nimmt dieser Steuerstrom ab. Schliesslich sperrt der Transistor 23 und unterbricht den Ladestrom und damit den Primärstrom des Stromwandlers 27.

Bei dieser Primärstromunterbrechung wird in der anderen Sekundärwicklung 25 ein Strom induziert, der durch die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 22 fliesst, so dass dieser leitend wird. Nun fliesst ein den Kondensator 37 entladender Strom durch den Transistor 22, den Widerstand 40 (3,9 Ohm), die Primärwicklung 24, die Lampe 1 und die Spule 13. Der Anstieg des nun zum vorherigen Ladestrom entgegengesetzten Endladestromes in der Primärwicklung 24 induziert in der Sekundärwicklung 25 einen Strom, der dieselbe Richtung hat wie der Strom, der vorher in derselben Sekundärwicklung 25 erzeugt wurde, als der Ladestrom abnahm. Also hält der nun in der Sekundärwicklung 25 induzierte und durch die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 22 fliessende Steuerstrom den Transistor 22 leitend. Sobald der den Kondensator 37 über 22, 40, 24, 13 und 1 entladende Strom beginnt, den Kern des Stromwandlers 27 zu sättigen, nimmt der ihn aufrecht erhaltende, in der Sekundärwicklung 25 induzierte Steuerstrom ab. Schliesslich sperrt der Transistor 22. Dabei induziert der Stromabfall in der Primärwicklung 24 einen Strom in der Sekundärwicklung 26, durch den der Transistor 23 leitend wird. Damit beginnt der beschriebene Zyklus von neuem.

Wenn der Transistor 23 oder 22 in den Sperrzustand übergeht, bewirkt der Kondensator 38, dass der durch die Primärwicklung 24 in der einen bzw. anderen Richtung fliessende Strom noch kurze Zeit durch unterschiedliche Ladespannungen der Kondensatoren 37 und 38 (3,3 nF) aufrechterhalten wird, so dass der andere Transistor 22 bzw. 23 erst nach Ablauf dieser Zeit leitend wird. Dadurch wird verhindert, dass beide Transistoren 22 und 23 infolge unterschiedlicher Ansprechzeiten gleichzeitig leiten, wodurch die am Kondensator 8 liegende Gleichstromspeisespannung des Inverters 10 kurgeschlossen und die Transistoren zerstört würden. Der Unterschied der Ladespannungen an den Kondensatoren 37 und 38 ist darauf zurückzuführen, dass der Kondensator 37 eine viel grössere Kapazität als der Kondensator 38 hat, und dass in seinem Lade- bzw. Entladestromkreis die Lampe 1, die Spule 13 und die Primärwicklung 24 liegt, während der Kondensator 38 viel kleinerer Kapazität über den kleinen Widerstand 35 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 23, deren Widerstand im leitenden Zustand klein ist, geladen und über die Kollektor-Emitter-

Strecke des Transistors 22, deren Widerstand im leitenden Zustand klein ist, und den ebenfalls kleinen Widerstand 40 entladen wird. Die Zeitkonstante des Kondensators 38 und Widerstands 39 (220 Kiloohm) ist wesentlich grösser als die Wechselrichterhalbperiode.

Die Dioden 42 und 43 fördern den Zündvorgang, bei dem — wie weiter unten beschrieben — die Zündspannung an der Spule 13 entsteht, deren eines Ende direkt mit der Lampenelektrode 3 verbunden ist. Vom anderen Spulenende fliesst der Zündstrom durch die Primärwicklung 24 und je nach seiner Richtung durch die Diode 42 und den Kondensator 37 oder durch die Diode 43, den Kondensator 8 und den Kondensator 37 zur anderen Elektrode. 2. Die Dioden 42 und 43 schützen die Transistoren vor Spannungen in Sperrichtung, die auch bei den Unterbrechungen des Primärstroms im Stromwandler 27 auftreten. Die Diode 45 verhindert, dass der Wechselrichter 10 im schwingenden Zustand nochmals über die Schaltungselemente 32, 33, 34 zum Anschwingen angestossen wird.

Wie ersichtlich, ist die vom Wechselrichter 10 (ohne die Lampe 1, 2, 3 und ohne den Strompfad 15, 16, 17) erzeugte Frequenz wesentlich durch das Sättigungsverhalten des Stromwandlers 27 bestimmt. Der Wechselrichter 10 schwingt auch ohne die Lampe 1 und die Spule 13, wenn an deren Stelle ein Widerstand (z.B. 1170 Ohm) angeschlossen wird, mit einer Frequenz, die höher ist (50 kHz) als die Frequenz beim Betrieb der Lampe 1. Diese Frequenz ist, wie im folgenden erläutert, beim Vorheizen der Lampenelektroden 2 und 3 tiefer (ca. 25 kHz) als bei brennender Lampe 1 (ca. 35 kHz), so dass die Kaltstartneigung der Lampe 1 während des Vorheizens der Elektroden 2 und 3 durch die niedrigere Frequenz behoben ist, und beim Brennen der Lampe die grössere Lichtausbeute der höheren Frequenz zur Geltung kommt.

Dazu ist ausser der Spule 13, die in üblicher Weise in Reihe mit der Entladungsstrecke der Lampe 1 liegt, die im Heizstromkreis der Elektroden 2 und 3 liegende Reihenschaltung des Kondensators 15 (3300 pF), des Widerstands 16 (220 Ohm) und des SIDAC 17 (130 V) (Zweirichtungs-Thyristordiode) vorgesehen, deren Scheinwiderstand (ohne den SIDAC 17) im wesentlichen durch die Kapazität des Kondensators 15 bestimmt ist, die wesentlich kleiner ist als die des Kondensators 37. Die Durch-bruchspannung des SIDAC 17 ist höher als die Brennspannung der Lampe 1 bei der höheren Frequenz (35 kHz). Die Kapazität des Kondensators 15 und die Induktivität der Spule 13 sind so bemessen, dass bei der niedrigeren Frequenz (25 kHz), also vor dem Zünden der Lampe 1, ein angemessener Vorheizstrom durch die Elektroden 2 und 3 fliesst und dass der Spannungsabfall an der Reihenschaltung 15, 16, 17 hinreichend unter der Spännung liegt, bei der die Lampe 1 mit der höheren Frequenz (35 kHz) brennt, und dass bei der höheren Frequenz mit der Induktivität der Spule 13 ein optimaler Entladungsstrom erreicht wird, wobei die Reihenschaltung 15, 16, 17 stromlos ist, weil die Brennspannung der Lampe 1 kleiner als die Durchbruchspannung des SIDAC 17 ist.

Wenn der Wechselrichter 10 mit der Lampe 1 eingeschaltet wird, fliesst durch 37, 15, 16,17 und 13 ein Hochfrequenzstrom, dessen Frequenz unter der Wirkung des Kondensators 15 und der Spule 13 niedriger (25 kHz) ist als die Frequenz (50 kHz), mit der der Wechselrichter 10 ohne diese Schaltungselemente schwingen würde. Der Hochfrequenzstrom besteht aus in Abständen aufeinanderfolgenden Halbwellen, deren jede sehr steil ansteigt, wenn die Durchbruchspannung des SIDAC 17 erreicht wird. Diese sehr plötzlichen Stromanstiege induzieren an der Spule 13 Spannungsimpulse, deren Spannung zum Zünden der Lampe 1 führt, sobald deren Elektroden 2 und 3 vorgeheizt sind. Wenn die Lampe 1 dann gezündet ist, fällt die Spannung an der Reihenschaltung 15, 16, 17 auf die Brennspannung der Lampe 1, und damit fällt die Spannung am SIDAC 17 unter dessen Durchbruchspannung. Die Reihenschaltung 15, 16, 17

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wird stromlos. Nun liegt nicht mehr die Kapazität des Kondensators 15 sondern die sehr viel kleinere Kapazität (50 bis 100 pF), die der SIDAC 17 im Sperrzustand darstellt, in Reihe mit der Selbstinduktion der Spule 13, denn bei der Reihenschaltung der Kapazitäten des Kondensators 15 und des SIDAC 17 fällt erstere als die wesentlich grössere ausser Betracht. Parallel zur Kapazität des SIDAC 17 und der Lampe 1 liegt noch die Kapazität der an diese angeschlossenen Leitungen. Die Gesamtkapazität ist wesentlich kleiner als die des Kondensators 15. Deshalb schwingt der Wechselrichter 10 nun mit der höheren Frequenz (35 kHz), und es wird die mit der höheren Frequenz höhere Lichtausbeute erzielt.

Mit dem beschriebenen Wechselrichter 10 können auch mehrere Leuchtstofflampen parallel gespeist werden, wobei jeder Lampe eine Spule 13 und ein Heizstrompfad 15, 16, 17 zuzuordnen ist.

Zur Funkentstörung kann vor den Wechselrichter 10 oder den Gleichrichter 5 ein Storschutzfilter für die Harmonischen der Wechselrichterfrequenz, beispielsweise ein sog. «Boost Converter» geschaltet sein.

Zum Betrieb der Leuchtstofflampe 1 anstelle einer Glühlam-5 pe kann der Wechselrichter 10 zusammen mit dem Gleichrichter 5, 8 (und gewünschtenfalls einem Störschutzfilter) in ein Zwischenstück (Adapter) eingebaut sein, das einen dem Glühlampensockel entsprechenden, mit den Anschlüssen 6 und 7 verbundenen, von einer Glühlampenfassung aufzunehmenden io Sockel und eine die Leuchtstofflampe 1 auswechselbar aufnehmende Fassung mit Kontakten für die Anschlüsse 11, 12,18 und 19 hat.

Versuche haben ergeben, dass die an der Anzahl der Einschaltvorgänge (Starts, Zündung) gemessene Lebensdauer der 15 Lampe mit der beschriebenen Schaltungsanordnung ca. 60 000 Einschaltungen beträgt, während sie mit bisherigen Vorschalt-geräten nur ca. 35 000 bis 40 000 Einschaltungen betrug.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Vorschaltgerät für eine Leuchtstofflampe (1) mit vorzuheizenden Elektroden (2, 3), gekennzeichnet durch einen Hochfrequenzerzeuger (10), dessen Frequenz bei Belastung durch den Vorheizstrom der Elektroden (2, 3) der Leuchtstofflampe (1) niedriger als bei Belastung durch den Brennstrom der Lampe ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstinduktion einer in Reihe mit der Lampe (1) liegenden, den Vorheizstrom und den Brennstrom der Lampe begrenzenden Spule (13) mitbestimmend für die Frequenz des vom Hochfrequenzerzeuger (10) erzeugten Stromes ist, und dass im Elek-trodenvorheizstromkreis die Spule (13) in Reihe mit einem Kondensator (15) und einem symmetrischen Schaltungselement (17) liegt, das beim Überschreiten einer Spannung, die höher als die Brennspannung der Lampe (1) ist, stromdurchlässig wird.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (13) einen magnetischen Kern und dieser Kern einen Luftspalt hat.

4. Gerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das symmetrische Schaltungselement (17) eine Zweirich-tungs-Thyristordiode ist.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe mit dem Kondensator (15) und dem symmetrischen Schaltungselement (17) ein Widerstand (16) geschaltet ist.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenzerzeuger ein Wechselrichter (10) mit Stromrückkopplung durch einen bis in den magnetischen Sättigungsbereich seines Kern betriebenen Stromwandler (27) ist, dessen Primärwicklung (24) im die Lampe (1) beim Brennen und beim Vorheizen der Elektroden (2, 3) speisenden Stromkreis liegt, und der (27) zwei Sekundärwicklungen (25, 26) hat, deren jede im Steuerstromkreis eines von zwei steuerbaren Halbleiterelementen (22, 23) liegt, die abwechselnd den Strom der einen und den Strom der zu dieser entgegengesetzten Halbwelle des erzeugten Hochfrequenzstroms leiten.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im die Leuchtstofflampe (1) beim Vorheizen ihrer Elektroden (2, 3) und beim Brennen speisenden Hochfrequenzstromkreis (15, 16, 17; 1) ein Blockkondensator (37) liegt, dessen Kapazität ein Vielfaches der Kapazität des Kondensators (15) ist, der in Reihe mit dem symmetrischen Schaltungselement (17) geschaltet ist.

8. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der beiden steuerbaren Halbleiterelemente (22, 23) durch eine Diode (42, 43) mit zum Halbleiterelement entgegengesetzter Polung überbrückt ist.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es als ein Zwischenstück ausgeführt ist, das einen anstelle einer Glühlampe in eine Glühlampenfassung schraubbaren, mit den Stromversorgungsanschlüssen (6, 7) des Hochfrequenzerzeugers (5, 8, 10) verbundenen Sockel und eine die Lampe (1) auswechselbar aufnehmende Fassung, die für jede der heizbaren Lampenelektroden (2, 3) ein Kontaktpaar (11, 18; 12, 19) hat, aufweist.