DE102005022592A1

DE102005022592A1 - Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Entladungslampe mit schaltbarem Resonanzkondensator

Info

Publication number: DE102005022592A1
Application number: DE102005022592A
Authority: DE
Inventors: Klaus Fischer
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2005-05-17
Publication date: 2006-11-23
Also published as: WO2006122526A1; US20090102393A1; CA2608999A1; EP1884142A1

Abstract

Bei einer Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Entladungslampe (EL) mit einem Inverter (INV), der aus einer Eingangsspannung eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt, und mit einem Resonanzkreis, der zumindest eine Drossel (L) und zumindest einen Resonanzkondensator (C3, C4), über den die Lampe (EL) versorgt wird, umfasst, ist vorgesehen, dass mindestens ein Resonanzkondensator (C4) in Serie mit einem Schaltelement (T1) parallel zur Lampe (EL) angeschlossen ist. DOLLAR A Durch Zu- und Abschalten des Resonanzkondensators kann die Resonanzkapazität bei der Steuerung der Lampe variiert werden. Beispielsweise kann die Resonanzkapazität für ein Vorheizen erhöht sein und beim Betrieb der Lampe erniedrigt sein.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Entladungslampe nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Alle heute üblichen elektronischen Vorschaltgeräte für Niederdruckentladungslampen verwenden zur Zündung der Gasentladung und zum nachfolgenden Betrieb der Lampe einen Resonanzkreis, der aus einer Strombegrenzungsdrossel, einem Koppelkondensator und einem Resonanzkondensator, der parallel zur Gasentladungsstrecke angeschlossen ist, gebildet wird. Da der Koppelkondensator im Vergleich zu dem Resonanzkondensator sehr groß ist, wird die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises im Wesentlichen durch die Induktivität und durch die Kapazität des Resonanzkondensators bestimmt.

Der Resonanzkreis wird durch einen Inverter mit Energie versorgt, der eine gleichgerichtete und geglättete Versorgungsspannung in eine hochfrequente Wechselspannung umwandelt.

Der Resonanzkondensator wird so an die Lampe angeschlossen, dass vor der Zündung der Gasentladung der über den Resonanzkondensator fließende Strom über beide Wendeln fließt, wodurch diese auf eine emissionsfähige Temperatur vorgeheizt werden können.

Zur Zündung der Lampe wird durch geeignete Maßnahmen die Frequenz des Inverters in die Nähe der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises gebracht. Dadurch werden über dem Resonanzkondensator und damit über der Lampe hohe Spannungen erzeugt und die Gasentladung durchgezündet.

Für eine optimale Vorheizung der Wendel vor der Zündung der Lampe muss ein ausreichender Strom über den Resonanzkondensator fließen, wobei die Spannung über dem Resonanzkondensator begrenzt sein sollte.

Besonders bei Lampen mit relativ niedriger Zündspannung ist es daher von Vorteil, wenn zum Zwecke des Vorheizens eine große Resonanzkapazität vorgesehen ist.

Die Resonanzkapazität kann jedoch nicht beliebig groß gewählt sein.

Im Betrieb der Lampe dient die Induktivität im Resonanzkreis zur Begrenzung des Lampenstroms, und die lampenparallele Kapazität des Resonanzkondensators prägt in der Drossel zusätzlich zu dem in der Lampe fließenden Wirkstrom einen Blindstrom ein. Es kann im Betrieb zur Überlastung bzw. Schädigung der Lampenwendeln kommen, wenn die Summe aus dem Wirkstrom durch die Lampe und den Blindstrom, der über den Resonanzkondensator fließt, zu groß ist. Diesbezüglich wäre es von Vorteil, wenn die Kapazität des Resonanzkondensators für den Betrieb der Lampe nicht zu hoch ist.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Entladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart zu verbessern, dass die wirksame Lampenparallele des Resonanzkondensators optimal gewählt ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß mindestens ein Resonanzkondensator in Serie mit einem Schaltelement parallel zur Lampe angeschlossen.

Dadurch wird es möglich, den Resonanzkondensator in der Vorheizphase über das Schaltelement zuzuschalten und beim Betrieb der Lampe auszuschalten.

Vorteil der Erfindung ist daher, dass sowohl das Erfordernis einer großen Resonanzkapazität in der Vorheizphase als auch eine weniger große Resonanzkapazität im Betrieb erfüllbar ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Resonanzkondensator parallel zur Lampe angeschlossen, der nicht in Serie mit einem Schaltelement steht, sowie ein Resonanzkondensator, der in Serie mit einem Schaltelement steht.

Durch das Schaltelement wird somit nicht die gesamte Resonanzkapazität aus- oder eingeschaltet, sondern die Resonanzkapazität wird entsprechend verkleinert und vergrößert.

Diese Ausführungsform ist insbesondere auch bei dimmbaren Lampen von Vorteil. Bei dimmbaren Lampen kann der Lichtstrom der Lampe durch Variation der Frequenz des Inverters eingestellt werden. Der komplexe Widerstand des Resonanzkondensators wird bei steigender Frequenz zunehmend niedriger. Dadurch wird die erreichbare Leerlaufspannung des Vorschaltgeräts und damit die maximal bedienbare Brennspannung limitiert. Je größer der Resonanzkondensator gewählt wird, desto kleiner wird die erzielbare Leerlaufspannung. In diesem Falle ist es möglich, nicht nur während des Heizens, sondern auch während des Volllastbetriebs zur Bereitstellung eines ausreichenden Blindstroms eine große Resonanzkapazität zur Verfügung zu stellen, wobei diese Resonanzkapazität dann über das Schaltelement ausgeschaltet wird, wenn eine Reduzierung des Lichtstroms zum Zwecke des Dimmens gewünscht ist, so dass man hohe Lampenspannungen bei kleinen Lampenströmen erzeugen kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schaltelement ein Transistor, insbesondere ein MOSFET. Es handelt es sich hierbei um ein gängiges Schaltelement.

Zum Schutze des Transistors kann es notwendig sein, die maximale Steuerspannung an dem Transistor zu begrenzen. Hierzu ist bei einer bevorzugten Ausführungsform die Kathode einer Zenerdiode mit einem Steueranschluss des Transistors verbunden, und ihre Anode ist mit einem Bezugspotential für die Steuerspannung des Transistors verbunden.

Zu einer bevorzugten Ausführungsform gehört es auch, dass die Entladungslampe durch Strom heizbare Wendeln aufweist. Der Resonanzkondensator ist dann bevorzugt so verschaltet, dass der über den schaltbaren Resonanzkondensator fließende Strom zumindest teilweise durch die Lampenwendeln fließt.

Um hierbei zu gewährleisten, dass über die beiden Wendeln im Wesentlichen die gleiche Menge an Strom fließt, sind die Wendeln mit Dioden überbrückt. Die Anode einer ersten Diode ist mit einem Anschluss des schaltbaren Resonanzkondensators und die Anode einer zweiten Diode ist mit einem Anschluss des Schaltelements verbunden, bei einem Transistor mit einem Bezugspotential für die Steuerspannung. Die Kathoden beider Dioden sind mit den inverterseitigen Anschlüssen der Wendeln verbunden.

Bei einem Schaltelement wie einem Transistor muss das Schaltelement vor zu hohen Spannungen geschützt werden. Bei einem Überschreiten der Sperrspannung kann es zu einem Spannungsdurchbruch kommen.

Zum Schutz des Schaltelements ist daher bevorzugt eine weitere Diode vorgesehen, deren Kathode mit einem positiven Versorgungspotential des Inverters und deren Anode mit dem Schaltelement verbunden ist.

Diese Diode begrenzt bei einem Sperren des Transistors den maximal am Transistor anliegenden Spannungswert auf den Wert der Versorgungsspannung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
1 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Entladungslampe gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Entladungslampe gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und
3 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Entladungslampe gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
In 1 ist eine Schaltungsanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Netzspannung wird über einen Gleichrichter GL gleichgerichtet und mit einem Kondensator C1 geglättet. Ein Inverter, der hier nicht weiter beschrieben werden muss, wandelt die gleichgerichtete und geglättete Versorgungsspannung in eine hochfrequente Wechselspannung um.
Hinter dem Inverter ist ein Resonanzkreis gebildet, der aus einem Koppelkondensator C2, einer Strombegrenzungsdrossel L und zwei Resonanzkondensatoren C3 und C4 besteht, wobei der Resonanzkondensator C4 in Serie mit einem Schaltelement T1 parallel zur Lampe EL angeschlossen ist. Das Schaltelement ist über eine Steuerschaltung CC schaltbar.
Das Schaltelement T1 ist hier als MOS-Transistor dargestellt.
Der Transistor T1 wird während einer Vorheiz- und Zündphase eingeschaltet, wodurch der Kondensator elektrisch wirksam parallel zur Lampe liegt.
Nach der Zündung der Lampe kann der Transistor zur Reduzierung der elektrisch wirksamen Resonanzkapazität ausgeschaltet werden. Dabei lädt sich der abgeschaltete Resonanzkondensator einmalig auf den Spitzenwert der Brennspannung auf, wird aber wegen des ausgeschalteten Transistors nicht mehr entladen und bleibt damit elektrisch passiv.
Aus diesem Grund muss die Durchbruchspannung des Transistors so gewählt sein, dass sie mindestens doppelt so hoch wie der Spitzenwert der Brennspannung ist, damit es auch bei einer Halbschwingung in dem Resonanzkreis in entgegengesetzter Richtung nicht zu einem Spannungsdurchbruch kommt.
Bei der in 1 gezeigten Anordnung wird die Kapazität des schaltbaren Resonanzkondensators C4 nicht zur Heizung von Wendeln der Lampe verwendet.
2 zeigt nun eine Ausführungsform, bei der der schaltbare Resonanzkondensator heizkreisseitig mit der Lampe verbunden ist. Es sind zwei Dioden D1 und D2 vorgesehen, deren Kathoden mit den inverterseitigen Anschlüssen der Wendeln verbunden sind. Die Anode der ersten Diode D1 ist mit einem Anschluss des zuschaltbaren Resonanzkondensators verbunden. Die Anode der zweiten Diode D2 ist mit dem Bezugspotential für die Steuerspannung des Transistors T1 verbunden.
Die Steuerspannung der Steuerschaltung CC, die hier den Transistor T1 steuert, ist üblicherweise auf das negative Potential der Gesamtschaltung bezogen. Ein positiver Spannungsabfall über der mit diesem negativen Potential verbundenen Lampenwendel muss unterbunden werden. Dieser würde zu einem Ausschalten des Transistors T1 führen, da nicht ausreichend Steuerspannung am Ausgang von CC zur Verfügung steht. Deswegen überbrückt die Diode D2 die Wendel so, dass der positive Spannungsabfall über der Wendel maximal die Größe der Flussspannung der Diode annehmen kann. Die Steuerspannung, mit der die Steuerschaltung CC den Transistor einschaltet, muss dann also nur mindestens so groß wie die Summe aus der Flussspannung der Diode D2 und der Schwellspannung des verwendeten Transistors T1 sein.
Bei umgekehrter Polarität des Spannungsabfalls über der Wendel, wenn die Diode D2 sperrt, sinkt das Potential der Anode der Diode D2 und des mit ihr verbundenen Anschlusses von Transistor T1 unter das negative Versorgungspotential der Gesamtschaltung. In dieser Phase führt die bei einem MOS-Transistor immer vorhandene Bodydiode den Strom durch den schaltbaren Resonanzkondensator C4. Der Transistor T1 muss daher nicht eingeschaltet werden, sondern es muss nur die maximale Steuerspannung entsprechend der Bauteilbelastbarkeit limitiert werden. Hierzu ist eine Zenerdiode D3 vorgesehen, deren Kathode mit dem Steueranschluss des Transistors und deren Anode mit dem Bezugspotential für die Steuerspannung des Transistors verbunden ist.
Die Überbrückung der Lampenwendel, die direkt mit der schaltbaren Resonanzkapazität verbunden ist, mit einer Diode D1 dient Symmetriegründen. Die Polung dieser Diode ist so, dass in jeder Halbwelle des Stroms durch die Induktivität jeweils eine der beiden Wendeln von dem Strom, der über C3 und C4 fließt, während dieser Strom an der anderen Wendel über die jeweils parallel liegende Diode D1 bzw. D2 vorbeigeleitet wird.
Wie oben beschrieben, lädt sich der Kondensator C4 in abgeschaltetem Zustand, d. h. wenn der Transistor T1 nicht eingeschaltet ist, auf den negativen Spitzenwert der heizkreisseitigen Lampenbrennspannung auf und verharrt während des weiteren Betrieb solange in diesem Zustand, bis der Transistor T1 wieder eingeschaltet wird.
Besonders bei Lampen mit großer Entladungslampe können bei reduziertem Lampenstrom hohe Brennspannungen auftreten. Wegen der Spannung an dem Kondensator C4 bei ausgeschaltetem Transistor wird die erforderliche Spannungsfestigkeit des Transistors T1 sehr groß.
Aus diesem Grunde wird die Ausführungsform gemäß 3 vorgeschlagen.
Die Ausführungsform gemäß 3 unterscheidet sich von der gemäß 2 dadurch, dass eine Diode D4 vorgesehen ist, die kathodenseitig mit dem positiven Versorgungspotential des Inverters, d. h. mit der positiven Spannungsseite der Spannungsquelle GL verbunden ist, wobei ihre Anode mit dem Schaltelement verbunden ist.
Die Diode D4 begrenzt bei einem Sperren von T1 den maximal an T1 anliegenden Spannungswert auf den an C1 anliegenden Wert, d. h. auf den Momentanwert der Versorgungsspannung des Inverters.
Bei sämtlichen drei, bezüglich den 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsformen, wirkt eine Steuerschaltung CC mit dem Inverter INV zusammen. Das Einschalten des Transistors T1 und damit das Zuschalten der Kapazität C4 kann insbesondere beim Vorheizen der Wendeln erfolgen, aber auch im Rahmen einer komplexen Steuerung des Betriebs der Lampe, beispielsweise bei Volllast, während der Transistor T1 hingegen beim Dimmen der Lampe dann ausgeschaltet wird.

Claims

Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Entladungslampe (EL), insbesondere einer Niederdruckentladungslampe, mit einem Inverter (INV), der aus einer Eingangsspannung (GL, C1) eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt, mit einem Resonanzkreis (C2, L, C3, C4), der zumindest eine Drossel (L) und zumindest einen Resonanzkondensator (C3, C4) umfasst, über den die Lampe versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Resonanzkondensator (C4) in Serie mit einem Schaltelement (T1) parallel zur Lampe (EL) angeschlossen ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement ein Transistor (T1), vorzugsweise ein MOSFET ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode einer Zenerdiode (D3) mit einem Steueranschluss des Transistors und deren Anode mit einem Bezugspotential für die Steuerspannung des Transistors verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladungslampe (EL) durch Strom heizbare Wendeln aufweist, und dass der Strom über den schaltbaren Resonanzkondensator (C4) zumindest teilweise durch die Lampenwendeln fließt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampenwendeln mit Dioden (D1, D2) so überbrückt sind, dass die Anode einer ersten Diode (D1) mit einem Anschluss des schaltbaren Resonanzkondensators und die Anode einer zweiten Diode (D2) mit einem Anschluss des Schaltelements (T1) verbunden ist und die Kathoden beider Dioden (D1, D2) mit inverterseitigen Anschlüssen der Wendeln verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode einer Diode (D4) mit einem positiven Versorgungspotential des Inverters (INV) und deren Anode mit dem Schaltelement (T1) verbunden ist.