DE10129755A1 - Betriebsgerät für Leuchtstoffröhren mit eingebauter Kühlstelle - Google Patents

Abstract

Betriebsgerät für Lampen mit eingebauter Kühlstelle, deren Quecksilberdampfdruck sich durch Heizen der Kühlstelle regulieren lässt, wobei die Temperatur der Kühlstelle oder eine Temperatur in der Umgebung der Kühlstelle mittels eines Temperatursensors (15) gemessen wird und die Wendelheizleistung so geregelt wird, dass die Temperatur der Lampe in einem optimalen Bereich bleibt.

Description

• Diese Erfindung betrifft ein elektronisches Betriebsgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Bei herkömmlichen Leuchtstoffröhren steigt der Quecksilberdampfdruck mit der Temperatur exponentiell an. Bei tiefen Temperaturen steigt der Lichtstrom der Leuchtstoffröhre mit dem Quecksilberdampfdruck und der Temperatur zunächst an, weil mit steigendem Druck mehr Quecksilberatome zur Lichterzeugung zur Verfügung stehen. Bei höheren Temperaturen und höherem Quecksilberdruck steigen die Selbstabsorptionsverluste mit der Temperatur, was zu einem Lichtstromabfall führt. Dazwischen gibt es eine optimale Betriebstemperatur.
• Die neue T5-Leuchtstoffröhren 14 bis 35 W und 24 bis 80 W sind mit einer Kühlstelle hinter einer Heizwendel, nämlich der Heizwendel auf der gestempelten Seite der Leuchtstoffröhre ausgestattet, so dass sie eine Regelung des Quecksilberdampfdrucks durch Heizung dieser Wendel und damit der Kühlstelle erlauben.
• T5-Leuchtstoffröhren sind so konstruiert, dass sie ohne Wendelheizung ihre optimale Betriebstemperatur von 35° bei einer Umgebungstemperatur in der Leuchte von 25° erreichen. Gerade T5-Leuchtstoffröhren sind besonders empfindlich gegen Temperaturschwankungen und reagieren mit hohem Lichtstromabfall, wenn die optimale Betriebstemperatur nicht eingehalten wird, also der Quecksilberdampfdruck nicht optimal eingestellt ist. Die Betriebstemperatur wird bei Verwendung der T5- Leuchtstofflampen mit neueren, nicht dimmbaren Betriebsgeräten eingehalten, die auch als elektronische Vorschaltgeräte (EVGs) bezeichnet werden.
• Werden die Leuchtstoffröhren gedimmt, sinkt die Temperatur der Leuchtstoffröhre aufgrund der geringeren Lampenleistung. Bei 10% des maximalen Lichtstroms sinkt die Umgebungstemperatur der Leuchtstoffröhren, also die Temperatur in den Leuchten, bis auf ca. 25° ab. Hierdurch sinkt der Lichtstrom zusätzlich ab. Um ein zusätzliches Absinken des Lichtstroms aufgrund der nicht optimalen Temperatur zu vermeiden, heizen manche dimmbare EVGs die Heizwendel der Leuchtstofflampen mit einem von der Dimmung unabhängigen Wendelheizstrom. So wird erreicht, dass bei einer elektrischen Dimmung durch Pulsbreitenmodulation auf 10% auch der Lichtstrom auf 10% des maximalen Lichtstroms abfällt. Aufgrund des von der Dimmung unabhängigen Wendelheizstroms erreichen Lampen ungedimmt Betriebstemperaturen von ca. 45°C. Wie oben ausgeführt, nehmen bei einer zu hohen Betriebstemperatur die Selbstabsorptionsverluste zu. Deshalb liefern diese EVGs schlechtere maximale Lichtstromwerte als die nicht dimmbaren EVGs.
• Um diesen Nachteil zu überwinden, wurden EVGs entwickelt, bei denen die Wendelheizleistung abhängig vom Dimmgrad und vom Lampentyp eingestellt wird.
• Weder dimmbare noch nicht dimmbare, auf dem Markt befindliche EVGs für T5- Lampen sind in der Lage, die optimale Lampentemperatur bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen aufrechtzuerhalten.
• Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein energiesparendes Betriebsgerät anzugeben.
• Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Vorteilhaft an einer Messung der Temperatur der Kühlstelle oder einer Temperatur in der Nähe der Kühlstelle und einer Heizung der Wendel auf der Kühlstellenseite, so dass die gemessene Temperatur konstant bleibt, ist, dass hierdurch ein optimaler Quecksilberdampfdruck unabhängig von der Dimmung der Lampe und von Umgebungstemperaturschwankungen eingehalten wird.
• Die beste und zuverlässigste Möglichkeit, den optimalen Dampfdruck einzustellen, ist die Messung der Temperatur der Aluminiumlampenkappe über der Kühlstelle, deren Temperatur den Quecksilberdampfdruck in der Lampe bestimmt.
• Die erfindungsgemäße Regelung stellt in vorteilhafter Weise bei allen Umgebungstemperaturen und Dimmgraden im Rahmen des lampenphysikalisch Möglichen die jeweils maximale Lichtausbeute ein.
• Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
• Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Betriebsgeräts, und
• Fig. 2 ein Schaltbild eines Betriebsgeräts, das Schaltungen für Baugruppen des erfindungsgemäßen Betriebsgeräts enthält.
• Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Betriebsgerät. Es steuert vorzugsweise eine T5- Leuchtstoffröhre 12 an. Diese enthält die Heizwendeln 13 und 14, wobei die Kühlstelle hinter der Wendel 13 angeordnet ist. Das Betriebsgerät umfasst ein Netzfilter 1, eine Gleichrichterbrückenschaltung 2, einen HF-Generator 3 (HF: Hochfrequenz), einen Pulsbreitenmodulator 4, einen FET-Leistungsverstärker 5, eine Baugruppe 6 zur Sicherheitsabschaltung und Brennspannungskontrolle, ein Niedervoltnetzteil 9, eine Wendelheizungssteuerung 10, eine Wendelheizung 11, eine Dimmfaktorstabilisierung 8 sowie einen Temperatursensor 15.
• Das Netzfilter 1 kann beispielsweise durch die in Fig. 2 dargestellten mit einem Kern versehenen Doppeldrosseln 25 und 26 sowie die Kondensatoren 27 und 28 realisiert werden. Darüber hinaus kann eine weitere Drossel 24 sowie ein weiterer Kondensator 21 im Netzfilter 1 vorgesehen sein. Die Gleichrichterbrücke 2 besteht vorzugsweise aus vier Dioden 31, 32, 33 sowie 34. Zur weiteren Unterdrückung hochfrequenter Störungen beim Ein- und Ausschalten der Dioden können Kondensatoren 29 und 30 vorgesehen sein. Daneben enthält die Gleichrichterbrückenschaltung 2 einen oder mehrere Elektrolytkondensatoren 35 und 36 zur Reduzierung der Welligkeit der gleichgerichteten Spannung. Der Hochfrequenzgenerator 3 wird durch die integrierte Schaltung 43 in Verbindung mit Widerständen 50 und 52 sowie Kondensatoren 51 und 42 realisiert.
• Wie ein Pulsbreitenmodulator 4 aufzubauen ist, ist aus dem Stand der Technik bekannt. Der FET-Leistungsverstärker 5 (FET: Feldeffekttransistor) besteht vorzugsweise aus FETs 38 und 40. Ferner können die Widerstände 39 und 41 vorgesehen sein, die die integrierte Schaltung 43 vor zu hohen Strömen beim Ein- und Ausschalten der FETs 38 und 40 schützen. Ferner enthält der FET-Leistungsverstärker 5 einen Kondensator 37, um den Gleichspannungsanteil zu unterdrücken und eine Drossel 63 um eine mit einer Impedanz belastete Ausgangsspannung an die Leuchtstoffröhre zu liefern. Die Ansteuerung der Leuchtstoffröhre mit einer impedanzbelasteten Spannung ist notwendig, weil die Leuchtstoffröhre einen negativen differentiellen Widerstand aufweist, so dass im typischen Betriebsbereich trotz sinkender Spannung der Strom zunimmt. Der Grund für die Verwendung von Hochfrequenz liegt darin, dass mit steigender Frequenz Spulen mit geringerer Induktivität einen ausreichenden Blindwiderstand erzeugen. Folglich sinkt mit steigender Frequenz die Baugröße der Drossel 63. Eine Elektrode des Kondensators 37 ist mit beiden FETs verbunden, die andere mit einem Anschluss der Drossel 63. Zwischen dem anderen Anschluss der Drossel 63 und einer Betriebsspannung des FET- Leistungsverstärkers kann die Brennspannung 16 für die Leuchtstoffröhre abgegriffen werden.
• Die Baugruppe 6, die die Sicherheitsabschaltung und die Brennspannungskontrolle realisiert, wird in der bevorzugten Ausführungsform durch Widerstände 48, 58, 66, Tyristor 54, Kondensatoren 57 und 59 sowie Dioden 53, 55, 56 und 60 realisiert. Insbesondere Widerstand 66 sowie Dioden 53 und 55 sorgen für eine Abschaltung des Betriebsgeräts, falls vom Netz eine zu hohe Spannung geliefert wird, die zur Zerstörung des Betriebsgeräts und/oder der Leuchtstoffröhre führen kann. Insbesondere Widerstände 58, 61, 62, Dioden 56, 60 sowie Kondensatoren 57 und 59 überwachen die Brennspannung.
• Solange die Leuchtstoffröhre noch nicht gezündet hat, erzeugt der Leistungsverstärker aufgrund des durch Kondensatoren 37 evtl. und 65 sowie Spule 63 gebildeten Schwingkreises eine Brennspannung von ca. 800 V zwischen den beiden Wendeln der Leuchtstoffröhre. Nach dem Zünden der Leuchtstoffröhre bricht diese Spannung durch Dämpfung des Schwingkreises durch die Leuchtstoffröhre auf etwa 200 bis 300 V zusammen. Die Brennspannungskontrolle in Baugruppe 6 schaltet den Pulsbreitenmodulator und damit auch den Leistungsverstärker ab, falls die Zündspannung nicht innerhalb von 0,5 bis 1 s nach Einschalten der Brennspannung auf 200 bis 300 V zusammengebrochen ist, also die Leuchtstoffröhre nicht gezündet hat.
• In einer anderen Ausführungsform wird das Zünden der Leuchtstoffröhre durch Messen des Drainstroms durch einen Leistungstransistor ermittelt. Beim Zünden steigt dieser Strom im zeitlichen Mittel an. Hierzu sind vorzugsweise ein Widerstand zwischen die negative Versorgungsspannung und das Drain im Transistor 40 geschaltet und die über diesen Transistor abfallende Spannung über Diode 60 der Brennspannungskontrolle zugeführt.
• Der Netzspannungscontroler 7 beeinflusst ebenfalls den Pulsbreitenmodulator. Der Netzspannungscontroler verändert die Pulsbreitenmodulation so, dass trotz Schwankungen der Netzspannung die Leuchtstoffröhre gleich hell leuchtet. Dies ist insbesondere deshalb sinnvoll, da die Netzsollspannung in einzelnen europäischen Ländern und den USA zwischen 220 und 240 V schwankt. Auf diese Weise werden landespezifische Besonderheiten durch den Netzspannungscontroler 7 kompensiert.
• Das Niedervoltnetzteil erzeugt eine Gleichspannung von 15 V für die Dimmfaktorstabilisierung 8 und die Wendelheizungssteuerung 10. An die Dimmfaktorstabilisierung 8 kann über Dimmeingang 16 ein Potentiometer oder eine Fotozelle zum Dimmen der Leuchtstoffröhre angeschlossen werden. Die Dimmfaktorstabilisierung kann am Dimmeingang eine Spannung oder einen Widerstand messen. Die Wendelheizungssteuerung 10 steuert die Wendelheizung 11 beim Einschalten so, dass beide Heizwendel 13 und 14 für 0,3 bis 0,5 s mit voller Leistung beheizt werden, bevor durch den FET-Leistungsverstärker 5 eine Brennspannung an die Leuchtstoffröhre gelegt wird.
• Das Vorheizen der Glühwendel wird als sogenannter Warmstart bezeichnet. Der Warmstart reduziert den Verschleiß der Heizwendel 13 und 14. Die Lebensdauer einer Leuchtstoffröhre ohne Startvorgänge beträgt etwa 20.000 Betriebsstunden. Durch häufige Kaltstarts, also Starts ohne Vorheizen der Heizwendeln reduziert sich diese etwa auf 5.000 Betriebsstunden.
• Nach dem Starten der Leuchtstoffröhre wird in einer bevorzugten Ausführungsform lediglich die Heizwendel 13 beheizt. Die Heizwendel 14 wird komplett von der Wendelheizung getrennt, so dass die Wendelheizung selbst keinen Kurzschluss für den Leistungsverstärker 5 darstellt, wenn der Leistungsverstärker eine Brennspannung liefert.
• Um das Problem des Kurzschlusses des Leistungsverstärkers durch die Wendelheizung weiter zu reduzieren, kann die Wendelheizung durch Wechselstrom erfolgen und in der Wendelheizung ein Transformator vorgesehen sein, der zwei Sekundärwicklungen, nämlich für jede Heizwendel eine, aufweist.
• Nach dem Starten wird die Heizleistung in der Heizwendel durch die Wendelheizungssteuerung 10 so gesteuert, dass die vom Temperatursensor 15 gemessene Temperatur konstant bleibt. Hierzu wird das Ausgangssignal des Temperatursensors der Wendelheizungssteuerung 10 zugeführt. Darüber hinaus erhält die Wendelheizungssteuerung ein Steuersignal von der Dimmfaktorstabilisierung 8. Das Letztere Signal sorgt für eine verbesserte Regelung bei transienten Dimmvorgängen. Wird die Dimmung plötzlich herauf- oder heruntergeregelt, reagiert der Temperatursensor 15 nur mit Verzögerung auf die sich mit der Lampenleistung ändernde Temperatur in der Aluminiumkappe. Anders ausgedrückt kann die Wendelheizungssteuerung einen PID-Regler darstellen. Dabei steht P für proportional, D für differential und I für Integral. Insbesondere der Differentialanteil für den Regler wird aus dem von der Dimmfaktorstabilisierung erhaltenen Signal berechnet.
• Darüber hinaus beeinflusst die Dimmfaktorstabilisierung den Pulsbreitenmodulator entsprechend der Dimmung.
• In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird nicht nur Heizwendel 13 sondern auch Heizwendel 14 während des Betriebs vorzugsweise mit der gleichen Heizleistung beheizt. Diese Ausführungsform hält insbesondere bei starken Umgebungstemperaturschwankungen die Temperatur in der Leuchtstoffröhre und damit den Quecksilberdampfdruck im optimalen Bereich.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Heizwendel 14 auch beim Starten nicht beheizt. Diese Ausführungsform ermöglicht die Einsparung von Bauteilen in der Wendelheizung sowie einer elektrischen Verbindung zur Heizwendel 14. Diese Ausführungsform ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Leuchtstoffröhre selten ein- und ausgeschaltet wird. Eine solche Beschaltung der Leuchtstoffröhre ist in Fig. 2 gezeigt.
• Fig. 2 zeigt ein nicht dimmbares elektronisches Vorschaltgerät für Leuchtstoffröhren. Durch die einseitige Abkopplung des Hochfrequenzstromkreises durch HF- Trenntrafo 64 vom Netzeingang wird das Stromnetz nicht mehr mit HF belastet. Der Trenntrafo 64 weist zwei identische Wicklungen auf, so dass sich ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 1 ergibt. Durch diese Maßnahmen können die teueren Auskoppelkondensatoren über dem Brückengleichrichter entfallen, der aus den Dioden 31-34 gebildet wird. Am Brückgleichrichter liegt nämlich nur noch niederfrequenter Netzwechselstrom an. Ein Abkoppelkondensator im HF-Kreis kann entfallen, weil der Gleichspannungsanteil vom Schwingkreiskondensator 37 aufgenommen wird. Durch geeignete Dimensionierung wird die Blindstromkomponente der Drossel 63 fast vollständig kompensiert. Durch die Auskopplung der Hochfrequenz durch den Transformator 64 wird die Netzverschmutzung durch hochfrequente Störungen reduziert, so dass höhere Betriebsfrequenzen durch integrierte Schaltung 43 und den durch die Transistoren 38 und 40 gebildeten Leistungsverstärker verwendet werden können. Wie oben ausgeführt, kann folglich eine Drossel mit geringer Induktivität und somit kleiner Baugröße verwendet werden. Die Abstrahlung von Hochfrequenz wird dann besonders gering gehalten, wenn die Verbindung zwischen Transformator 64 und der nicht beheizten Heizwendel von Leuchtstoffröhre 20 kurz gehalten wird, also das Betriebsgerät nahe dieser Heizwendel montiert wird.
• Die oben erläuterte Sicherheitsabschaltung durch die Baugruppe 6 wurde soweit verbessert, dass ein Zerstören der Leistungstransistoren 38 und 40 bei einem Defekt der Leuchtstoffröhre 20 vermieden wird.

Claims (8)

1. Betriebsgerät für Leuchtstoffröhren (12) mit eingebauter Kühlstelle, deren Quecksilberdampfdruck sich durch Heizen der Kühlstelle regulieren lässt, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Kühlstelle oder eine Temperatur in der Umgebung der Kühlstelle mittels eines Temperatursensors (15) gemessen wird und die Wendelheizleistung so geregelt wird, dass die Temperatur der Lampe (12) in einem optimalen Bereich bleibt.

2. Betriebsgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (15) in einer Lampenkappe nahe der Kühlstelle angeordnet ist.

3. Betriebsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsgerät für T5-Leuchtstoffröhren vorgesehen ist.

4. Betriebsgerät nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtstoffröhre mit Hochfrequenz betrieben wird, die durch einen Hochfrequenzgenerator (3) und einen Leistungsverstärker (5) erzeugt wird, wobei ferner ein Pulsbreitenmodulator (4) vorgesehen ist, um die Pulsbreite der Hochfrequenz und damit den Leuchtstrom zu steuern.

5. Betriebsgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Netzspannungscontroler (7) vorgesehen ist, der ein Ausgangssignal erzeugt, das dem Pulsbreitenmodulator (4) zugeführt wird und den Pulsbreitenmodulator so steuert, dass ein von einer angeschlossenen Leuchtstoffröhre (12) erzeugter Lichtstrom von der Höhe der Netzspannung unabhängig ist.

6. Betriebsgerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsgerät ferner eine Dimmfaktorstabilisierung (8) aufweist, die ebenfalls ein Ausgangssignal für den Pulsbreitenmodulator (4) erzeugt, so dass der Lichtstrom einer angeschlossenen Leuchtstoffröhre (12) entsprechend einem an einem Dimmeingang (16) angeschlossenen Widerstand oder einer am Dimmeingang (16) angelegten Spannung gedimmt wird.

7. Betriebsgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Wendelheizungssteuerung (10) vorgesehen ist, der ein Ausgangssignal des Temperatursensors (15) zugeführt wird, um die Wendelheizleistung für Heizwendel (13) zu regeln, wobei der Wendelheizungssteuerung (10) ferner ein Signal von der Dimmfaktorstabilisierung (8) zugeführt wird.

8. Betriebsgerät für eine Leuchtstoffröhre mit:
einem Gleichrichter (2; 31, 32, 33, 34); und
einem HF-Generator (3)
dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des HF-Generators (3) einem HF-Transformator (64) zugeführt wird, wobei ein Ende der Sekundärwicklung des HF-Transformators mit einem Anschluss für eine Heizwendel und das andere Ende der Sekundärwicklung mit einem Anschluss für die andere Heizwendel der Leuchtstoffröhre verbunden ist.