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Die
Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät für mindestens eine Leuchtstofflampe.
Leuchtstofflampen existieren in zumindest zwei Grundbauformen – in einer
ersten, die als Elektroden Heizwendeln aufweisen, die vor dem Zünden der
Leuchtstofflampe vorgewärmt
werden, und in einer zweiten, in der nicht vorheizbare Elektroden
vorhanden sind. Aus Kostengründen
werden heute zumindest bei Anwendungsfällen, bei denen die Schalthäufigkeit
gering ist, gerne Leuchtstofflampen mit nicht vorheizbaren Elektroden eingesetzt.
Auch sind mit Heizwendeln versehene Leuchtstofflampen kaltstartfähig, was
bei geringer Schalthäufigkeit
ausgenutzt werden kann. Bei explosionsgeschützten Leuchten ist der Kaltstart
obligatorisch.
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Für den Kaltstart
von Leuchtstofflampen sind Kaltstartvorschaltgeräte verfügbar. Diese sind speziell für den Kaltstart
der Leuchtstofflampe eingerichtet.
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Sehr
verbreitet sind im Markt elektronische Vorschaltgeräte, die
einen Warmstart der Leuchtstofflampe durchführen. Solche Vorschaltgeräte weisen
in der Regel einen Wechselrichter und eine elektronische integrierte
Steuerschaltung für
diesen Wechselrichter auf. Die Steuerschaltung legt nach dem Einschalten
der Betriebsspannung nacheinander drei Arbeitsphasen fest, nämlich eine
Vorheizphase, eine Zündphase
und eine Betriebsphase. Die entsprechenden Steuer-IC sind kostengünstig verfügbar.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein kaltstartfähiges Vorschaltgerät für mindestens
eine Leuchtstofflampe anzugeben, das unter Verwendung solcher herkömmlicher
Steuer-IC aufgebaut werden kann und die Leuchtstofflampe kalt startet.
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Diese
Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Vorschaltgerät nach Anspruch
1 gelöst:
Das
Vorschaltgerät
enthält
eine Steuerschaltung mit einem integrierten Schaltkreis (Steuer-IC),
der einen Steuereingang aufweist. Der Steuereingang ist für den Anschluss
eines Kondensators vorgesehen, der aus dem Steuereingang heraus
mit einem Ladestrom gespeist wird. Damit läuft die an dem Kondensator anstehende
Spannung nach dem Einschalten der Betriebsspannung allmählich auf
Betriebsspannungspegel von beispielsweise 13 Volt hoch. Ist die an
dem Steuereingang anstehende Spannung kleiner als 10 Volt, arbeitet
der an den integrierten Schaltkreis angeschlossene Wechselrichter
in Vorheizbetriebsart. Überschreitet
die Steuerspannung den ersten Schwellwert von beispielsweise 10
Volt, arbeitet der Wechselrichter in Zündbetriebsart. Erreicht die
Spannung an dem Steuereingang den zweiten Schwellwert von z.B. 13
Volt, geht der Wechselrichter in Lampenbrennbetriebsart über, die
sie beibehält,
solange die Spannung über
dem zweiten Grenzwert liegt.
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Das
Vorschaltgerät
enthält
nun eine zusätzliche
Kondensatorladeschaltung, die den Kondensator unmittelbar nach dem
Einschalten des Vorschaltgeräts
so lange mit einem Zusatzstrom beaufschlagt, wie die Spannung des
Kondensators unter einem Grenzwert liegt. Dieser Grenzwert wird
vorzugsweise auf einen in der Nähe
des ersten Schwellwerts liegenden Wert festgelegt. Vorzugsweise
liegt dieser Wert leicht oberhalb des ersten Schwellwerts, beispielsweise
knapp oberhalb von 10 Volt. Der Zusatzladestrom wird vorzugsweise
so groß gemacht,
dass die Vorheizzeit des Vorschaltgeräts auf einen vernachlässigbar
kleinen Wert sinkt und die Leuchtstofflampe nach dem Einschalten
subjektiv sofort gezündet
wird. Das Zündintervall
ist jedoch unverändert – der Spannungsanstieg
verläuft
ab Überschreitung des
Grenzwertes unbeschleunigt.
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Vorzugsweise
liegt die verbleibende Lampenvorheizzeit unter einem Wert von 50
msec. Diese Verzögerung
ist von einer Bedienperson kaum noch wahrzunehmen. Im Falle einer
konventionellen Lampenbeschaltung mit Zündkondensator tritt keine wirksame
Vorheizung der Lampenelektroden mehr auf. Des Weiteren kann auf
den Zündkondensator
verzichtet werden. Die Lampenwendeln können jeweils kurzgeschlossen
werden oder es können
Leuchtstofflampen mit einpoligen Elektroden Anwendung finden.
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Die
Kondensatorladeschaltung enthält
ein Element, das die an dem Kondensator anstehende Spannung mit
einer Grenzspannung vergleicht. Außerdem enthält die Kondensatorlade schaltung
einen Schalter, der den Zusatzladestrom so lange freigibt, wie die
Kondensatorspannung unter der Grenzspannung liegt. Im einfachsten
Fall sind der Schalter und das die Spannungen vergleichende Element
durch eine Diode oder eine Z-Diode realisiert. Der Grenzwert für die Spannung
kann durch eine Spannungsquelle, beispielsweise in Form eines an
die Betriebsspannung angeschlossenen Spannungsteilers, einer über einen
Widerstand aus der Betriebsspannung mit Strom versorgten Z-Diode
oder dergleichen, festgelegt sein.
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Mit
dem vorgestellten Schaltungskonzept gelingt es, gewöhnliche
elektronische Vorschaltgeräte,
die für
den Vorheizbetrieb von Leuchtstofflampen eingerichtet sind, dahingehend
zu modifizieren, dass diese einen schnellen Kaltstart der Leuchtstofflampen
bewirken. Bis auf eine geringfügige
Zusatzbeschaltung zur Erzeugung des Zusatzladestroms für den zeitbestimmenden
Kondensator, der das Starten der Leuchtstofflampe steuert, sind
an dem Vorschaltgerät
keine sonstigen Maßnahmen
zu treffen. Insbesondere können
integrierte Schaltungen, die für
den Warmstart von Leuchtstofflampen vorgesehen sind, auch für das kaltstartfähige Vorschaltgerät eingesetzt werden.
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Weitere
Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen
sind Gegenstand der Zeichnung oder der Beschreibung oder von Ansprüchen.
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
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1 ein
Kaltstart-Vorschaltgerät
in Prinzipdarstellung,
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2 eine
abgewandelte Ausführungsform des
Kaltstart-Vorschaltgeräts in Prinzipdarstellung,
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3 eine
weitere Ausführungsform
des Kaltstart-Vorschaltgeräts
in Prinzipdarstellung,
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4 den
Verlauf der an dem Steuereingang des integrierten Schaltkreises
des Vorschaltgeräts anstehende
Spannung U bei applikationsgemäßem Warmstartbetrieb
und
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5 die
Steuerspannung an dem Steuereingang der integrierten Schaltung bei
den Ausführungsformen
gemäß 1 bis 3.
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In 1 ist
ein Vorschaltgerät 1 veranschaulicht,
das zum Betrieb wenigstens einer Leuchtstofflampe 2 dient.
An Stelle der Leuchtstofflampe 2 können auch zwei oder mehrere
Leuchtstofflampen parallel oder in Reihe geschaltet sein. Die Leuchtstofflampe 2 weist
zumindest zwei Elektroden 3, 4 auf, die, wie im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
dargestellt, als Heizwendeln ausgebildet sein können, deren beide jeweiligen
Enden aus dem Lampenkörper 5 herausgeführt sind.
Sie sind dann, wie dargestellt, beispielsweise kurzgeschlossen.
Die Leuchtstofflampe 2 kann jedoch auch, wie in 3,
Elektroden 3, 4 in Form nicht vorheizbarer, mit
lediglich jeweils einem Anschluss versehener elektrischer Leiter
ausgebildet sein. Unabhängig
von der nachfolgend beschriebenen konkreten Ausführung des Vorschaltgeräts 1, sind
beide Lampentypen für
alle vorgestellten Vorschaltgeräte 1 einsetzbar.
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Die
Leuchtstofflampe 2 ist, wie 1 veranschaulicht,
mit der Elektrode 4 an ein Bezugspotential angeschlossen,
das beispielsweise durch einen kapazitiven Spannungsteiler 6 mit
zwei Kondensatoren 7, 8 bereitgestellt wird. Die
andere Elektrode 3 der Leuchtstofflampe 2 ist über eine
Drossel 9 und gegebenenfalls, d.h. falls erforderlich,
einen Kondensator 10 an einen Wechselrichter 11 angeschlossen, der
an seinem Ausgang eine zwischen Null und einer Betriebsspannung
von z.B. 300 Volt alternierende Wechselspannung abgibt. Der Wechselrichter
enthält dazu
zwei elektronische gesteuerte Schalter 12, 13, z.B.
in Form geeigneter Halbleiterbauelemente, die von einer Steuerschaltung 14 alternierend
geöffnet und
geschlossen werden. Die Steuerschaltung 14 enthält zumindest
einen integrierten Schaltkreis 15 sowie weitere nicht veranschaulichte
Komponenten zur Spannungsversorgung des integrierten Schaltkreises
mit einer Betriebsspannung von beispielsweise 14 Volt oder 15 Volt sowie
ggf. Überwachungseinrichtungen
zur Überwachung
des Betriebs des Wechselrichters 11 und der Leuchtstofflampe 2 und
zum Abschalten des Vorschaltgeräts
bei Auftreten entsprechender Betriebszustände.
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Der
integrierte Schaltkreis 15 gibt die Schaltfrequenz des
Wechselrichters 11 vor und steuert damit dessen Betrieb.
Prinzipiell kann die Leuchtstofflampe 2 in verschiedenen
Betriebsarten, nämlich Lampen-Vorheizbetrieb,
Lampen-Zündbetrieb
und Lampen-Brennbetrieb betrieben werden. Die Unterscheidung der
Betriebsarten erfolgt über
die Frequenz des Wechselrichters 11. Die integrierte Schaltung 15 gibt
diese Frequenz vor. Dazu weist die integrierte Schaltung 15 einen
Steuereingang 16 auf, an den ein frequenzbestimmender Kondensator 17 angeschlossen
ist. Dieser erhält über eine
in dem integrierten Schaltkreis 10 vorgesehene Ladeschaltung 18 einen
Ladestrom. Die Ladeschaltung 18 kann beispielsweise durch
eine Stromquelle oder auch eine ähnliche
Schaltung mit der Charakteristik beispielsweise eines Ohmschen Widerstandes
gebildet sein. Ein durch den Schalter 19 symbolisch veranschaulichter
Schaltungsteil kann dazu dienen, den Steuereingang 16 bei
abgeschalteter Steuerschaltung 14 niederohmig mit Masse
zu verbinden, um den Kondensator 17 zu entladen. Bei regulärem Betrieb
ist der Schalter 19 jedoch offen, d.h. stromlos.
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An
den Steuereingang 16 ist außerdem eine Spannungskontrollschaltung 20 angeschlossen,
zu der z.B. zwei Komparatoren 21, 22 gehören können. Der
Komparator 21 gibt an seinem Ausgang V ein Spannungssignal
ab sobald die Spannung an dem Steuereingang 16 einen ersten
Schwellwert von beispielsweise 10 Volt übersteigt. Der Komparator 22 gibt
an seinem Ausgang Z ein Signal ab sobald die Spannung an dem Steuereingang 16 einen
zweiten Schwellwert von beispielsweise 13 Volt über steigt. Beide Ausgänge V, Z
sind mit einer Logikschaltung 23 verbunden, die die Ausgangssignale
auswertet und ein Ansteuersignal mit einer dementsprechenden Frequenz
für den
Wechselrichter 10 erzeugt.
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Erhält die Logikschaltung 23 von
den Komparatoren 21, 22 kein Signal, steuert sie
den Wechselrichter 11 mit einer Frequenz an, die normalerweise
einen Vorheizbetrieb der Leuchtstofflampe 2 zur Folge hat. Übersteigt
die Spannung an dem Steuereingang 16 den ersten Schwellwert
von beispielsweise 10 Volt und liegt sie dabei unter dem zweiten Schwellwert
von beispielsweise 13 Volt, gibt nur der Komparator 21 an
seinem Ausgang V ein Signal an die Logikschaltung 23. Diese
geht dadurch in Lampen-Zündbetrieb
und betreibt den Wechselrichter 11 mit entsprechender Zündfrequenz.
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Gibt
der Komparator 22 ein Signal an die Logikschaltung 23,
weil die Spannung an dem Steuereingang 16 die von ihm überwachte
zweite Schwellspannung von beispielsweise 13 Volt überschreitet, geht
die Logikschaltung 23 in Lampen-Brennbetrieb und steuert
den Wechselrichter 11 mit entsprechender Frequenz an. Die
Spannung auf dem Kondensator 17 bestimmt somit die aktuelle
Betriebsart der Leuchtstofflampe 2.
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Um
den ersten Komparator 21 möglichst schnell ansprechen
zu lassen, d.h. die Vorheizbetriebsart weitestmöglich abzukürzen, ist eine Kondensator-Ladeschaltung 24 vorgesehen,
die den Kondensator 17 nach Einschalten der Betriebsspannung
sehr schnell auf einen Spannungswert auflädt, der ungefähr der ersten
Schwelle entspricht. Die Kondensator-Ladeschaltung 24 weist einen
Spannungsteiler 25 auf, der mit einem Ende an die Betriebsspannung 26 und
mit dem anderen Ende an Masse 27 angeschlossen ist. Die
beiden zu dem Spannungsteiler 25 gehörigen Widerstände 28, 29 legen
eine Span nung von beispielsweise 13,6 Volt fest, an die eine Diode 30 mit
ihrer Anode angeschlossen ist. Die Kathode der Diode 30 ist
mit dem Kondensator 17 verbunden.
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Das
Vorschaltgerät
nach 1 arbeitet wie folgt:
Wird die Betriebsspannung
des Vorschaltgeräts 1 eingeschaltet,
erhalten der Spannungsteiler 26 und die Steuerschaltung 14 Betriebsspannung
von beispielsweise 15 Volt. Der Wechselrichter 11 und der Spannungsteiler 6 erhalten
ihre Betriebsspannung von z.B. 300 Volt. An dem Spannungsteilerpunkt
des Spannungsteilers 25 baut sich ohne wesentliche zeitliche
Verzögerung
eine Spannung von beispielsweise 13,6 Volt, 13,8 Volt oder 14 Volt
auf. Über
die Diode 30 fließt
nun ein großer
Ladestrom auf den Kondensator 17, um diesen innerhalb einer kurzen
Zeitspanne von beispielsweise lediglich 15 msec. oder 20 msec.,
jedenfalls aber weniger als 50 msec., auf einen Wert aufzuladen,
der dem Schwellwert S1 entspricht. Dies ist in 5 dargestellt.
Ausgehend vom Nullpunkt ist die Schwellspannung S1 in der kurzen, von
Null bis t1', vergehenden
Zeit erreicht. Damit schaltet der Komparator 21 und gibt
ein Signal an die Logikschaltung 23. Deshalb geht diese
praktisch unverzögert
nach dem Einschalten in ihre Zündbetriebsart über. Die
Vorheizbetriebsphase entfällt
oder wird bis auf einen unmerklichen Zeitraum verkürzt. Sie
wird quasi übersprungen.
Bei Zündbetrieb
wird die Frequenz des Wechselrichters so eingestellt, dass sich
an der Leuchtstofflampe eine hohe, zum Spannungsdurchbruch der eingeschlossenen
Gassäule
führende
Spannung ergibt.
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Von
dem Zeitpunkt t1' an,
zu dem die Spannung auf dem Kondensator 17 den von dem
Spannungsteiler 25 und der Diode 30 vorgegebenen Schwellwert überschreitet,
steigt die Spannung lediglich langsam weiter an bis der Schwellwert
S2 er reicht und überschritten
wird. Zu diesem Zeitpunkt t2' gibt
der zweite Komparator 22 an seinem Ausgang Z ein Signal
ab, wodurch die Logikschaltung 23 in Lampen-Brennbetrieb übergeht.
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Somit
wird ein Lampenkaltstart verwirklicht. Im Grunde genommen wird dies
erreicht, indem die in 4 veranschaulichte Ladekurve
des Kondensators 17, die ohne die Kondensator-Ladeschaltung 24 durchlaufen
würde,
um den ersten sich von Null bis t1 erstreckenden Zeitraum verkürzt wird.
Diese von Null bis t1 laufende Zeitspanne bildet ansonsten die Vorheizzeit.
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2 veranschaulicht
eine abgewandelte Ausführungsform
der Kondensator-Ladeschaltung 24. An Stelle des Spannungsteilers 25 ist
eine Reihenschaltung aus einer Z-Diode 31 und einem Widerstand 28 vorgesehen,
um eine stabilisierte Referenzspannung für die Diode 30 zu
bilden. Hinsichtlich der Funktion und der übrigen Schaltungsbeschreibung wird
auf die vorstehende Beschreibung verwiesen, die entsprechend gilt.
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Die
Beschaltung der Leuchtstofflampe 2 kann in diesem Ausführungsbeispiel
wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen
wie sonst bei Leuchtstofflampen getroffen sein, die mit Vorheizbetrieb
arbeiten. Dazu sind die Elektroden 3, 4 der Leuchtstofflampe 2 mit
jeweils einem Ende mit einem optionalen Vorheizkondensator 32 verbunden,
der bei der entsprechenden Ansteuerfrequenz während einer Vorheizphase einen
Heizstrom durch die Heizwendeln 3, 4 fließen lässt. In
Folge des schnellen, von der Kondensator-Ladeschaltung 24 verursachten
Durchlaufens der Heizphase wird dieser Vorheizkondensator 32 jedoch
wirkungslos. Die Leuchtstofflampe 2 wird trotz Vorhandenseins
des Vorheizkondensators 32 kalt gezündet – es steht keine Zeit zum Aufheizen
der Elektroden 3, 4 zur Verfügung. Somit kann an vorhandenen
Leuchten eine Umschaltung auf Kaltzündbetrieb nur durch Modifikation
oder Wechsel des Vorschaltgeräts
erfolgen. Weitere Änderungen
sind nicht erforderlich.
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3 veranschaulicht
eine weitere Ausführungsform
eines Vorschaltgeräts 1 mit
modifizierter Kondensator-Ladeschaltung 24. Diese besteht
aus einer Z-Diode 33, deren Kathode mit der Betriebsspannung 26 verbunden
ist. Die Anode ist mit dem Kondensator 17 verbunden. Liegt
die erste Schwellspannung des Komparators 21 beispielsweise
bei 10 Volt und die Betriebsspannung 26 bei 15 Volt ist
es zweckmäßig, eine
Z-Diode 33 mit einer Z-Spannung von 4,8 Volt oder 5 Volt
vorzusehen. Über
diese wird der Kondensator 17 beim Einschalten der Betriebsspannung 26 praktisch
augenblicklich auf eine Spannung aufgeladen, die sich aus der Differenz
zwischen der Betriebsspannung 26 und der Z-Spannung der Z-Diode 33 ergibt.
Zum Schutz der Z-Diode 33 kann diese mit einem relativ
niederohmigen Widerstand in Reihe geschaltet sein, der den Ladestromstoß für den Kondensator 17 begrenzt.
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Das
Vorschaltgerät 1 gemäß 3 kann,
wie die Vorschaltgeräte
nach 1 und 2, auch mit einer Leuchtstofflampe 2 zusammenarbeiten,
die nicht vorheizbare Elektroden 3, 4 aufweist.
Hinsichtlich des Betriebs und der sonstigen Funktion des Vorschaltgeräts wird
vollständig
auf die vorstehende Beschreibung verwiesen, die entsprechend gilt.
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Ein
für den
Kaltstart von Leuchtstofflampen 2 geeignetes Vorschaltgerät 1 weist
eine integrierte Schaltung 15 auf, die für den Vorheizbetrieb
von Leuchtstofflampen 2 ausgelegt ist. Sie weist einen Steuereingang 16 auf,
an dem die anstehende Spannung überwacht
und zur Festlegung der Betriebsart der Leuchtstofflampe 2 genutzt
wird. Mit ansteigender Betriebsspannung wird zunächst eine Vorheizbetriebsart,
nach Überschreiten
einer ersten Schwellspannung, eine Zündbetriebsart und, nach Überschreiten
einer zweiten höheren
Schwellspannung, eine Brennbetriebsart eingenommen. In der Vorheizbetriebsart
ist die Wechselrichterfrequenz des angeschlossenen Wechselrichters 11 so
festgelegt, dass die angeschlossenen Heizwendeln über einen
Zündkondensator
Heizstrom erhalten. In der Zündbetriebsart
erhält
die Leuchtstofflampe 2 eine hohe Zündspannung, beispielsweise
durch Resonanzeffekte. In der Brennbetriebsart wird der Lampenstrom durch
eine Drossel 9 beschränkt.
Zum Kaltstart wird der Steuereingang 16 der integrierten
Schaltung 15 praktisch sprungartig auf eine Spannung gebracht, die
etwas oberhalb der ersten Schwellspannung liegt. Dies wird durch
eine gesonderte Kondensator-Ladeschaltung 24 bewirkt.