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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben
einer Gasentladungslampe gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1, die einen Heiztransformator zum Beheizen der Lampenwendeln
aufweist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zum Betreiben einer Gasentladungslampe.
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Elektronische
Vorschaltgeräte
zum Betreiben von Gasentladungslampen sind bereits seit langem bekannt.
Der Vorteil in der Verwendung derartiger Vorschaltgeräte besteht
darin, dass diese die Gasentladungslampen unter optimalen Bedingungen betreiben,
so dass im Vergleich zu herkömmlichen Lampenbetriebsgeräten eine
höhere
Lichtausbeute bei vergleichbarem Energieverbrauch erzielt wird. Darüber hinaus
können
Fehlzustände
erkannt und entsprechende Maßnahmen
eingeleitet werden, so dass zum einen ein zuverlässiger Lampenbetrieb ermöglicht wird
und zum anderen Lampendefekte weitestgehend vermieden werden.
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Ein
besonderes Merkmal elektronischer Vorschaltgeräte zum Betreiben von Gasentladungslampen
besteht auch darin, dass mit Hilfe der Vorschaltgeräte ein besonders
schonender Lampenstart durchgeführt
wird. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass
die Lampenelektroden üblicherweise
während der
Startphase besonders hohen Belastungen ausgesetzt sind. Ein wiederholtes
Ein- und Ausschalten von Gasentladungslampen führt daher in der Regel dazu,
dass deren Lebensdauer herabgesetzt wird. Durch den Einsatz von
elektronischen Vorschaltgeräten
können
die Belastungen beim Lampenstart allerdings deutlich reduziert werden.
Dies wird dadurch erreicht, dass vor dem Anlegen der Zündspannung die
Lampenelektroden zunächst
gezielt aufgeheizt werden, so dass die Austrittsenergie für Elektronen herabgesetzt
wird. Die Dauer der bei einem Lampenstart nicht zu vermeidende Glimmphase,
in der die Lampenelektroden dem Beschuß von Ionen ausgesetzt sind
und dementsprechend besonders stark belastet werden, kann auf diese
Weise deutlich verkürzt werden.
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Zum
Aufheizen der Lampenwendeln während
der sogenannten Vorheizphase bestehen mehrere Möglichkeiten bzw. Schaltungsvarianten.
Eine bekannte Lösung,
die in 1 dargestellt ist, soll nachfolgend erläutert werden.
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1 zeigt dabei eine Schaltungsanordnung zum
Betreiben einer Gasentladungslampe, wie sie aus der
EP 0 769 889 B1 bekannt
ist. Die dargestellte Schaltungsanordnung bildet den ausgangsseitigen Bereich
eines elektronischen Vorschaltgeräts, welches eingangsseitig
zumindest einen Gleichrichter aufweist, der mit einer Versorgungswechselspannung
gespeist ist und die gleichgerichtete Versorgungswechselspannung
an eine Zwischenkreisschaltung weitergibt, welche wiederum eine
in ihrer Höhe
veränderbare
Gleichspannung erzeugt.
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Die
Ausgangsgleichspannung der Zwischenkreisschaltung bildet zugleich
die Gleichspannungsquelle E1 für
einen Wechselrichter der dargestellten Schaltungsanordnung, der
aus zwei in einer Halbbrückenanordnung
angeordneten steuerbaren Schaltern S1 und S2 besteht. Die Schalter
S1 und S2 werden von einer (nicht dargestellten) Steuerschaltung
angesteuert und wechselweise geöffnet
bzw. geschlossen, so dass an ihrem Mittenabgriff eine hochfrequente
Wechselspannung entsteht. Diese wird einem Lastkreis zugeführt, dessen
wesentliche Bestandteile ein aus einer Ausgangsdrossel Lo und einem
Kondensator C1 bestehender Serienresonanzkreis sowie eine parallel
zu dem Resonanzkondensator C1 angeordnete Lampe LA sind. Zwischen
der Lampe LA und der Ausgangsdrossel Lo befindet sich ferner ein
Koppelkondensator C2, durch den das Auftreten von Gleichströmen in der
Lampe LA vermieden werden soll.
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Wie 1 zeigt, ist den beiden
Wendeln Rw1 und Rw2 der Lampe LA ferner jeweils ein Heizkreis zugeordnet,
der aus einer Serienschaltung bestehend aus der entsprechenden Lampenwendel Rw1
bzw. Rw2, einer Heizspule Lh2 bzw. Lh3 sowie einem Kondensator C7
bzw. C8 besteht. Durch eine Stromeinkopplung in die Heizkreise können somit
die beiden Lampenwendeln Rw1, Rw2 aufgeheizt werden.
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Die
Stromeinkopplung in die beiden Heizkreise erfolgt durch die Primärspule Lh1
eines Heiztransformators, die ebenfalls an den Ausgang des Wechselrichters
angeschlossen und über
einen Kondensator Ck mit Masse verbunden ist. Die Primärspule Lh1
ist induktiv mit den beiden Sekundärspulen Lh2 und Lh3 gekoppelt,
so dass ein Stromfluss in die beiden Heizkreise induziert wird,
sobald von der Halbbrücke
eine Ausgangsspannung abgegeben wird. Die Funktion des Kondensators
Ck besteht dabei darin, als Blockkondensator den Strom durch die Primärwicklung
Lh1 des Heiztransformators während der
Halbbrückenflanke
zu begrenzen. Mit Hilfe der in den Heizkreisen angeordneten Kondensatoren
C7 und C8 wiederum können
die Heizströme
während eines
Dimmbetriebs, in dem der Lampe LA lediglich eine geringe Leistung
zugeführt
wird, angepasst werden.
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Mit
Hilfe dieser bekannten Schaltungsanordnung können die Lampenwendeln der
Lampe zwar sowohl während
der Vorheizphase als auch im Lampendimmbetrieb geheizt werden, es
hat sich allerdings gezeigt, dass diese Art der Wendelheizung bei modernen
Gasentladungslampen nicht mehr in der Lage ist, die Anforderungen
an eine effektive Vorheizung hinsichtlich der notwendigen und zulässigen sogenannten
Stiftströme
zu erfüllen.
Ferner ist der Kostenaufwand zur Realisierung dieser Schaltungsanordnung
verhältnismäßig hoch,
da der Blockkondensator Ck als Hochspannungskondensator ausgelegt sein
muß und
dementsprechend teuer ist.
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Um
den Kostenaufwand für
den Blockkondensator Ck vermeiden zu können, ist eine Schaltungsanordnung
entwickelt worden, bei der die Primärwicklung des Heiztransformators
nicht unmittelbar an den Ausgang des Wechselrichters angeschlossen
sondern statt dessen Bestandteil eines Zwischenkreises ist, der
lediglich induktiv mit dem Lastkreis gekoppelt ist. Eine derartige
Schaltungsanordnung ist aus der
US
5,973,455 bekannt. Zur Induzierung eines Heizstroms wird
nunmehr zunächst
induktiv eine Spannung in den Zwischenkreis mit der Primärwicklung
des Heiztransformators eingekoppelt, über den dann wiederum ein Heizstrom
auf die beiden Heizkreise mit den Lampenwendeln übertragen wird. Da durch die
induktive Kopplung zwischen Last- und Zwischenkreis die Spannung
in dem Zwischenkreis bereits herabgesetzt werden kann, ist die Verwendung
eines Hochspannungskondensators nicht mehr erforderlich.
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Aus
der Schaltung der
US 5,973,455 ist
darüber
hinaus bekannt, die Wendelheizung zu deaktivieren, wozu ein bidirektionaler
Schalter vorgesehen ist, der den Zwischenkreis nach erfolgter Lampenzündung öffnet. Hierdurch
kann ein unnötiger
Stromverbrauch vermieden werden, da während des normalen Lampenbetriebs
eine weitere Beheizung der Lampenwendeln nicht unbedingt erforderlich
ist.
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Allerdings
gibt es Situationen, in denen es auch nach der Lampenzündung noch
vorteilhaft ist, die Lampenwendeln zu beheizen. Handelt es sich beispielsweise
um ein Vorschaltgerät,
welches ein Dimmen der Gasentladungslampe ermöglicht, so kann der Fall auftreten,
dass bei sehr geringen Helligkeitswerten der Lampe die Lampenelektroden
aufgrund des nur geringen Stromflusses soweit abkühlen, dass
sie wieder stärker
belastet werden. In dieser Situation kann es vorteilhaft sein, die
Lampenwendeln zusätzlich
zu beheizen, um nach wie vor einen Elektronenaustritt bei niedriger
Energie zu ermöglichen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde,
eine Möglichkeit anzugeben,
die Elektroden bzw. Wendeln einer Gasentladungslampe optimal zu
beheizen, wobei den unterschiedlichen Anforderungen während eines
Vorheiz- und eines Dimmbetriebs Rechnung getragen werden soll.
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Die
Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer
Gasentladungslampe mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch ein
Verfahren gemäß Anspruch
10 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
besteht zunächst
aus einem mit einer Gleichspannungsquelle verbundenen Wechselrichter,
einem an den Wechselrichter angeschlossenen Lastkreis, der die Lampe
und einen Serienresonanzkreis enthält, sowie einem Heiztransformator
bestehend aus einer Primärwicklung
sowie zwei mit der Primärwicklung
induktiv gekoppelten Sekundärwicklungen, die
jeweils in Serie zu den beiden Lampenwendeln innerhalb zweier Heizkreise
angeordnet sind. Die Primärwicklung
ist innerhalb eines Zwischenkreises angeordnet, der galvanisch getrennt
von dem Lastkreis angeordnet ist und durch diesen gespeist wird,
wobei erfindungsgemäß die Impedanz
des Zwischenkreises einstellbar ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann somit die im Dimmbetrieb erforderliche Anpassung
der Heizleistung dadurch erfolgen, dass die Impedanz des Zwischenkreises, über den
ein Heizstrom in die beiden Lampenwendeln eingekoppelt wird, verändert wird.
Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung kann hierzu der Zwischenkreis ein Impedanzelement – vorzugsweise
einen Kondensator – aufweisen,
das durch einen steuerbaren Schalter überbrückbar ist. Je nachdem, ob nunmehr
der Kondensator überbrückt wird
oder nicht, wird die Heizleistung verändert.
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Die
Speisung des Zwischenkreises durch den Lastkreis erfolgt vorzugsweise
mittels einer induktiven Kopplung, wozu ein Kopplungstransformator
vorgesehen ist, der aus einer in dem Lastkreis angeordneten Primärwicklung
sowie einer in dem Zwischenkreis angeordneten Sekundärwicklung
besteht. Insbesondere kann dabei die Primärwicklung des Kopplungstransformators
zugleich die Ausgangsdrossel des Serienresonanzkreises des Lastkreises bilden.
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Die
Möglichkeit,
die Impedanz des Zwischenkreises anzupassen, erlaubt somit, die
unterschiedlichen Anforderungen des Vorheiz- und Dimmbetriebs zu
erfüllen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die
Heizleistung an verschiedene Lampentypen angepasst werden kann,
die wahlweise mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung betrieben
werden sollen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein elektronisches Vorschaltgerät zum Betreiben
einer Gasentladungslampe, welches eingangsseitig einen mit einer
Versorgungswechselspannung verbundenen Gleichrichter, eine Zwischenkreisschaltung
zum Erzeugen einer geregelten Gleichspannung sowie eine am Ausgang
der Zwischenkreisspannung befindliche Schaltungsanordnung in der
oben beschriebenen Weise aufweist.
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Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe
mit Hilfe einer Schaltungsanordnung, die in der oben beschriebenen
Weise ausgebildet ist, wobei entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren
die Impedanz des Zwischenkreises verändert wird.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1 eine
aus dem Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnung zum Betreiben
einer Gasentladungslampe und
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2 die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.
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2 zeigt
analog zu 1 lediglich den ausgangsseitigen
Bereich eines elektronischen Vorschaltgeräts, also den Wechselrichter
mit dem daran angeschlossenen Lastkreis. Nicht dargestellt sind hingegen
der eingangsseitige Gleichrichter zum Gleichrichten der Versorgungswechselspannung
sowie die von dem Gleichrichter gespeiste Zwischenkreisschaltung
zum Erzeugen einer geregelten Gleichspannung.
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Bei
der in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind
Bauelemente, deren Funktion identisch zu Elementen der in 1 dargestellten
bekannten Schaltungsanordnung ist, mit den gleichen Bezugszeichen
versehen. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
weist somit wiederum zunächst
einen Wechselrichter auf, der eingangsseitig mit einer Gleichspannungsquelle
E1 verbunden ist und aus zwei steuerbaren Schaltern S1 und S2 besteht,
die in einer Halbbrückenanordnung verschaltet
sind. Am Ausgang des Wechselrichters befindet sich wiederum ein
Lastkreis, der aus einem Serienresonanzkreis mit einer Ausgangsdrossel
Lop und einem Kondensator C1 sowie einer parallel zu dem Resonanzkondensator
C1 angeordneten und über
einen Koppelkondensator C2 mit der Ausgangsdrossel Lop verbundenen
Lampe LA besteht. Die Lampenwendeln Rw1 und Rw2 sind wiederum innerhalb
zweier Heizkreise angeordnet und hierzu in Serie mit den Sekundärwicklungen
Lh2 und Lh3 eines Heiztransformator geschaltet.
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Im
Gegensatz zu der Schaltungsanordnung von 1 erfolgt
nunmehr allerdings die Induzierung des Heizstroms in die beiden
Heizkreise nicht unmittelbar über
den Ausgang des Wechselrichters sondern über einen Zwischenkreis Z,
der induktiv mit dem Lastkreis gekoppelt ist. Hierzu ist ein Kopplungstransformator
vorgesehen, dessen Primärwicklung
durch die Ausgangsdrossel Lop des Serienresonanzkreises gebildet
ist und der eine Sekundärwicklung
Los innerhalb des Zwischenkreises Z aufweist. Weitere Bestandteile
des Zwischenkreises Z sind ferner die Primärwicklung Lh1 des Heiztransformators sowie
eine Serienschaltung aus zwei Kondensatoren C5 und C6, wobei der
zweite Kondensator C6 durch einen steuerbaren Schalter S3 überbrückbar ist.
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Die
Induzierung eines Heizstroms in die beiden Lampenwendeln Rw1 und
Rw2 erfolgt nun dadurch, dass zunächst mit Hilfe des Kopplungstransformators
ein Strom in den Zwischenkreis Z gekoppelt und über den Heiztransformator dann
in die beiden Heizkreise übertragen
wird. Die Höhe
des übertragenen
Stroms hängt
dabei insbesondere davon ab, ob der Schalter S3 geöffnet oder
geschlossen ist. Ist nämlich
der Schalter S3 geschlossen, so wird der zweite Kondensator C6 überbrückt und
die Impedanz des Zwischenkreises Z hierdurch erniedrigt. Dementsprechend
wird ein verhältnismäßig hoher
Strom in den Zwischenkreis Z eingekoppelt und auf die Heizkreise übertragen.
Da eine hohe Heizleistung insbesondere während einer Vorheizphase vor
der Zündung
der Lampe erforderlich ist, ist der Schalter S3 in dieser Vorheizphase
vorzugsweise geschlossen.
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Wird
hingegen der Schalter S3 geöffnet,
so wird der zweite Kondensator C6 effektiv dem Zwischenkreis Z hinzugefügt, wodurch
die Impedanz erhöht
und dementsprechend die an die Lampenwendeln Rw1 und Rw2 übertragene
Leistung reduziert wird. Da die reduzierte Heizleistung während des späteren Lampenbetriebs
bei niedriger Lampenleistung ausreichend ist, wird der Schalter
S3 vorzugsweise geöffnet,
sobald die Lampenzündung
erfolgt ist.
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Durch
das Öffnen
und Schließen
des Schalters S3 kann somit die Impedanz des Zwischenkreises Z verändert und
damit die Heizleistung entsprechend den unterschiedlichen Anforderungen
während
eines Vorheiz- und eines Dimmbetriebes eingestellt werden. Die Möglichkeit
zur Änderung
der Heizleistung kann allerdings auch dafür genutzt werden, unterschiedliche
Lampentypen mit der Schaltungsanordnung zu betreiben, wobei dann
je nach Art des verwendeten Lampentyps die Heizleistung eingestellt
wird.
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Ein
besonderes Merkmal der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht
darin, dass diese verhältnismäßig kostengünstig zu
realisieren ist. Zwar besteht die Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung im Vergleich zu der Schaltungsanordnung in 1 aus
mehr Bauteilen, dabei ist allerdings zu berücksichtigen, dass aufgrund
der induktiven Kopplung mit dem Lastkreis innerhalb des Zwischenkreises
Z eine niedrigere Spannung vorliegt, da durch den Kopplungstransformator die
von dem Wechselrichter abgegebene Spannung heruntertransformiert
werden kann. Dementsprechend können
die Kondensatoren C5 und C6 sowie der Schalter S3 als Niedervoltkondensatoren
bzw. Niedervoltschalter ausgebildet sein und sind dementsprechend
deutlich kostengünstiger
herzustellen als der bei der Schaltungsanordnung von 1 erforderliche
Blockkondensator Ck.
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Die
Effektivität
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ist dabei sehr hoch. Zwar besteht eine gewisse Abhängigkeit
von der Lampenspannung, allerdings zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
ein gutes Verhalten hinsichtlich des sogenannten Crestfaktors der
Heizspannung. Dieser Faktor gibt das Verhältnis zwischen dem Maximalwert
und dem Effektivwert der Heizspannung an. Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
kann ein verhältnismäßig niedriger Crestfaktor
erzielt werden, d.h. die induzierte Heizspannung wird optimal zum
Aufheizen der Lampenwendeln genutzt.