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Die
Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät für eine Gasentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des
Anspruches 1, mit einem Lastkreis, der eine Drossel und einen zu
der Gasentladungslampe parallel zu schaltenden Ladekondensator enthält, einem an
eine Gleichspannungsquelle angeschlossenen und zur Versorgung des
Lastkreises dienenden Inverter, der elektronische Schalterelemente
enthält und
einer einen Transformator enthaltenden Treiberschaltung für die Schalterelemente.
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Ein
Vorschaltgeräte
der vorstehenden Art ist bekannt. Insbesondere dann, wenn hohe Leistungen geschaltet
werden soll, werden als Schalterelemente des Inverters FETs, MOSFETs
oder IGBTs verwendet. Diese Bauelemente zeichnen sich nicht nur
dadurch aus, dass sie leistungsarm schalten, sondern auch dadurch,
dass sie sehr schnell schalten. Allerdings sind die genannten Bauelemente
mit sehr hochohmigen Eingängen
(Gates) versehen, die auch eine Treiberschaltung mit einem sehr
hochohmigen Ausgang erforderlich machen. Die Treiberschaltung muss
sogar gewährleisten,
dass zumindest das hoch liegende Schalterelement galvanisch gegen
Masse isoliert ist. Dies ist dadurch möglich, dass eine Treiberschaltung
mit Transformator eingesetzt wird, deren Primärwicklung und Sekundärwicklung
nur induktiv gekoppelt, galvanisch aber getrennt sind.
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Nachteilig
ist jedoch, dass der Transformator wegen der Wicklungen ein aufwendiges
und teures Bauelement ist.
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Es
wurde bereits vorgeschlagen, einen Transformator einzusetzen, der
weder einen Kern noch Drahtwicklungen hat, sondern durch spiralförmige Leiterbahnen
auf einer beidseitig gedruckten Leiterplatte realisiert ist, wobei
die Leiterplatte gleichzeitig auch Träger der übrigen Bauelemente ist. Ein so
ausgeführtes
Verschaltgerät
kann sogar als ASIC realisiert werden. Allerdings haben kernlose
planare Transformatoren beachtliche Streuinduktivitäten und Schaltungskapazitäten. Es
ist daher ein erhöhter
Logikaufwand zur Signalauswertung und zur Fehlerkorrektur erforderlich.
Außerdem
sind planare Transformatoren für
die Übertragung
größerer Leistungen nicht
geeignet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vorschaltgerät der eingangs
beschriebenen Art so zu gestalten, dass zwar ein Transformator mit Kern
und Wicklungen verwendet, aber der dadurch bedingte erhöhte Kostenaufwand
durch zusätzliche Maßnahmen
wieder reduziert wird.
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Die
Aufgabe ist erfindungsgemäß gemäß dem Kennzeichen
des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass
die Transformatorwicklungen und die Drosselwicklung auf einem gemeinsamen
Kern angeordnet sind. Dabei ist anzustreben, dass die Transformatorwicklungen
und die Drosselwicklung so auf dem gemeinsamen Kern angeordnet sind,
dass die Transformatorwicklungen gegen die Drosselwicklung entkoppelt
sind und umgekehrt.
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Eine
wirksame Entkopplung kann dadurch erreicht werden, dass die Transformatorwicklungen und
die Drosselwicklung so auf dem gemeinsamen Kern angebracht und verteilt
angeordnet sind, dass die von der Drosselwicklung erzeugten magnetischen
Flüsse
gegensinnige Ströme
in den Transformatorwicklungen induzieren und das von den Transformatorwicklungen
erzeugte magnetische Flüsse
so verlaufen, dass sie an der Drosselwicklung vorbeilaufen und keinen
Strom darin induzieren.
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Der
gemeinsame Kern sollte dabei aus zwei äußeren und einem mittleren Schenkel
sowie diese drei Schenkel an beiden Enden überbrückenden Jochteilen bestehen,
wobei jede der beiden Transformatorwicklungen hälftig und gleichsinnig gewickelt auf
verschiedenen Schenkeln des gemeinsamen Kernes verteilt angeordnet
sind, wobei ferner die Drosselwicklung auf dem dritten Schenkel
angeordnet ist, und wobei schließlich der dritte Schenkel mit einem
Luftspalt versehen ist.
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Eine
alternative Ausführungsform
kann darin bestehen, dass die Drosselwicklung und die Transformatorwicklungen
so auf dem gemeinsamen Kern angebracht und verteilt angeordnet sind,
dass von den Transformatorwicklungen erzeugte magnetische Flüsse gegensinnige
Ströme
in der Drosselwicklung induzieren, und dass von der Drosselwicklung
erzeugte magnetische Flüsse
so verlaufen, dass sie an den Transformatorwicklungen vorbeilaufen
und keinen Strom darin induzieren.
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Der
gemeinsame Kern sollte bei dieser Ausführungsform aus zwei äußeren und
einem mittleren Schenkel sowie diese drei Schenkel an beiden Enden überbrückenden
Jochteilen bestehen, wobei die Drosselwicklung hälftig und gleichsinnig gewickelt auf
verschiedenen Schenkeln des gemeinsamen Kernes verteilt angeordnet
sind, wobei weiterhin die Transformatorwicklungen auf den dritten
Kern angeordnet sind, und wobei schließlich der dritte Schenkel mit
einem Luftspalt versehen ist.
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Die
günstigste
Möglichkeit
bei beiden Ausführungsformen
ist die, bei der der dritte Schenkel der mittlere Schenkel ist.
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Der
gemeinsame Kern kann aus zwei gegeneinander gerichteten E-Teilkernen
bestehen, wobei der mittlere E-Schenkel den Luftspalt enthält.
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Wenn
das Vorschaltgerät
weitere kernbehaftete induktive Schaltungselemente enthält, wie
z. B. eine PFC-Drossel, einen Transformator zur Wendelheizung oder
einen Transformator zur Symmetrisierung zweier Lampen, so können deren
Kerne unter Anwendung der vorstehenden Erkenntnisse und Lehren ebenfalls
auf den gemeinsamen Kern oder mindestens zwei von ihnen auf einen
weiteren gemeinsamen Kern gewickelt werden. Gerade ein Heiztransformator
ist für
eine solche Reduzierung des Schaltungsaufwandes geeignet, da er
generell keine große
Grundbelastung darstellt für
das System darstellt.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt
ein Vorschaltgerät
zum Betreiben einer Gasentladungslampe 2 in schematisierter Form.
Das Vorschaltgerät
besteht aus einem Lastkreis 1, einem Inverter 7,
einer Treiberschaltung 11, einer Steuereinheit 15 und
einer Versorgungsspannungseinheit 16. Der Lastkreis 1 enthält wie üblich einen
Serienresonanzkreis, bestehend aus einer Drossel 4 und
einem Ladekondensator 3. Der Verbindungspunkt zwischen
der Drossel 4 und dem Ladekondensator 3 ist über eine
Koppelkondensator 5 mit einer Elektrode der Gasentladungslampe 2 verbunden.
Die andere Elektrode der Gasentladungslampe 2 liegt an
Masse. Die Drossel 4 besteht aus einem nicht gezeigten
Kern und einer Drosselwicklung D. Der von dem Ladekondensator 3 abgewandete
Anschluss der Drossel 4 ist außerdem mit einem Anschluss
eines Dämpfungskondensators
(Snubber Cap) verbunden, dessen anderer Anschluss an Masse liegt.
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Der
Inverter 7 ist eine Halbbrückenschaltung, bestehend aus
zwei in Serie geschalteten MOSFETs 8, 9, die als
elektronische Schalterelemente arbeiten. Die Serienschaltung aus
den beiden MOSFETs 8, 9 liegt einerseits an einem
hohen Gleichspannungspotential Vbus und
andererseits an Masse. Der Verbindungspunkt 10 de Halbbrücke führt zum
Lastkreis 1.
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Die
Eingänge
(Gates) der beiden MOSFETs sind gegenüber Masse sehr hochohmig. Das
macht es erforderlich, dass auch die entsprechenden Ausgänge der Treiberschaltung 11 sehr
hochohmig sind. Im Falle des oben liegenden MOSFETs 8 besteht
sogar die Forderung nach einer vollständigen galvanischen Trennung
gegenüber
Masse. Die Treiberschaltung 11 enthält dazu einen Transformator 14 mit
einem (nicht dargestellten) Kern sowie einer Primärwicklung
Tp und einer Sekundärwicklung Ts Der
eine Anschluss der Sekundärwicklung
Ts ist mit dem Eingang des oben liegenden
Operationsverstärkers 12 verbunden,
dessen Ausgang am Gate des MOSFETs 8 liegt. Der andere
Anschluss der Sekundärwicklung Ts liegt am Brückenpunkt 10 der den
Inverter 7 bildenden Halbbrückenschaltung. Auch das Gate
des unten liegenden MOSFETs 9 wird von einem Operationsverstärker 13 angesteuert,
der direkt zu der Steuereinheit 15 führt. Auch die Primärwicklung
Tp des Transformators 14 wird von
der Steuereinheit 15 versorgt.
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Die
Steuereinheit 15 liefert Schaltimpulse (ein/aus) an die
Treiberschaltung 11. Dabei wird die Resonanz zwischen der
Windungskapazität
der Primärwicklung
sowie ihrer Induktivität
ausgenutzt. Wenn der Schaltimpuls „ein" ist, wird die Windungskapazität aufgeladen
und der Transformator in einer Richtung magnetisiert. Der oben liegende
MOSFET 8 ist dann auf Durchlass geschaltet, während der
unten liegende MOSFET 9 gesperrt ist. Wenn dann der Schaltimpuls „aus" folgt, treibt der
Transformator den Strom weiter und wird in die andere Richtung ummagnetisiert.
Das führt
dazu, dass der oben liegende MOSFET 8 gesperrt und der
unten liegende MOSFET 9 auf Durchlass geschaltet wird.
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Der
Dämpfungskondensator 6 im
Lastkreis ermöglicht
ein Schalten der MOSFETs 8, 9 mit Null-Potential,
und er wirkt außerdem
als Filter gegen elektromagnetische Störfrequenzen, die eine Folge der
Schaltvorgänge
sind.
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In 2(a) ist erkennbar, wie die beiden MOSFETs 8, 9 wechselweise
leitend geschaltet werden.
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2(b) zeigt die Spannung vmp(t) am Brückenpunkt 10 des
Inverters 7. Man erkennt, dass trapezförmige Schaltimpulse entstehen.
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2(c) zeigt den Verlauf des Stromes iL(t) durch
die Drossel 4. Man erkennt, dass der Strom nahezu sinusförmig ist,
was ein Anzeigen dafür
ist, dass nahezu keine Oberwellen und damit Störungen erzeugt werden.
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2(d) zeigt den Verlauf des Stromes durch
den Dämpfungskondensator 6.
Es handelt sich um kleine Stromimpulse, die mit wechselnder Polarität in den
Schaltpausen der MOSFETs 8, 9 auftreten. In diesem
Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die aus 2(a) ersichtlichen
Schaltpausen Null-Potential haben.
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Die
eigentliche Erfindung ist in den 3 bis 5 dargestellt.
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Der
Transformator 14 und die Drossel 4 haben einen
gemeinsamen Kern 16, der aus gegeneinander gesetzten E-Teilkernen 17 und 18 besteht.
Der Kern 16 hat zwei Außenschenkel 19 und 20 sowie
einen Mittelschenkel 21. Der Mittelschenkel 21 ist
von einem Luftspalt 24 unterbrochen und dadurch in zwei Teilschenkel 21a, 21b geteilt.
Die drei Schenkel 19, 20, 21 sind an
ihren beiden Enden jeweils von einem Querjoch 22, 23 überbrückt.
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Die
Primärwicklung
Tp des Transformators 14 ist geteilt,
wobei die eine Hälfte
auf den Schenkel 19 und die andere Hälfte auf den Schenkel 20 gewickelt
ist. Gleichermaßen
ist die Sekundärwicklung
Ts geteilt, wobei die eine Teilwicklung
ebenfalls auf den Schenkel 19 und die andere ebenfalls
auf den Schenkel 20 des gemeinsamen Kerns 16 gewickelt
ist. Der Wicklungssinn wird später
erläutert.
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Die
Drossel 4 besteht aus drei Drosselwicklungen D1, D2 und
D3. Diese drei Drosselwicklungen können wahlweise in Serie geschaltet
werden, im die Induktivität
der Drossel verändern
zu können.
Auf jeden Fall sind alle drei Drosselwicklungen D1, D2 und D3 auf
den Mittelschenkel 21 des gemeinsamen Kernes 16 gewickelt.
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Nunmehr
soll anhand der 4 und 5 erläutert werden,
wie der Wicklungssinn der Primärwicklungen
des Transformators 14 gewählt werden muss, damit der
gewünschte
Effekt erreicht wird. In 4 sind nur zwei Wicklungen gezeigt,
von denen die obere einer der beiden Transformatorwicklungen in 3 entspricht,
und von denen die untere einer der Drosselwicklungen in 3 entspricht.
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Unter
Bezugnahme auf 4 soll zunächst die auf dem Mittelschenkel
unten sitzende Wicklung mit einer Spannung UD beaufschlagt
werden, die in der Wicklung einen Strom iD erzeugt.
Durch den Strom iD wird im Mittelschenkel
ein magnetischer Fluss ϕD erzeugt,
der sich in zwei Teilflüsse ϕD1 und ϕD2 aufteilt,
die durch die Außenschenkel
zurückfließen. Der
Wicklungssinn der beiden Teilwicklungen der oberen Wicklung ist
nun so gewählt,
dass der in den beiden Teilwicklungen durch die beiden Teilflüsse ϕD1 und ϕD2 induzierte
Strom zu Spannungen UR1 und UR2 führt, die
sich gegenseitig aufheben, so dass am Eingang der oberen Wicklung
UR = 0 entsteht. Das Ergebnis ist also:
Die obere Wicklung ist von der unteren entkoppelt. Entscheidend
ist, dass die Teilwicklungen so angebracht sind, dass sich die aufgrund
der darin induzierten Ströme
ergebenden Teilspannungen aufheben.
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In 5 wird
an die obere Wicklung eine Spannung UT angelegt,
die einen Strom IT zur Folge hat. Aufgrund
des Stromes wird in dem Kern ein Fluss ϕT erzeugt,
der nur durch die beiden äußeren Schenkel
des Kernes sowie die beiden Querjoche läuft, nicht aber durch den Mittelschenkel.
Der Grund ist, dass der Mittelschenkel wegen seines Luftspaltes einen
wesentlich höheren
magnetischen Widerstand als die beiden Außenschenkel hat. Dadurch, dass
der Mittelschenkel nicht durchflossen wird, wird in der auf diesen
Mittelschenkel sitzenden unteren Wicklung kein Strom induziert.
Damit ist auch die untere Wicklung von der oberen Wicklung entkoppelt.
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Das
für die
beiden 4 und 5 dargelegte Prinzip ist in 3 mit
zwei Transformatorwicklungen und drei Drosselwicklungen realisiert.
Der Wicklungssinn ist jeweils der gleiche wie in den 4 und 5.
Auch hier ist eine vollständige
Entkopplung zwischen den Transformatorwicklungen einerseits und
den Drosselwicklungen andererseits gewährleistet. Nicht entkoppelt
sind jedoch – was
auch nicht sein darf– die
Primärwicklung
Tp und die Sekundärwicklung Ts des
Transformators 14. Dadurch, dass die Transformatorwicklungen
Tp und Ts sowie die
Drosselwicklungen D1, D2 und D3 alle auf dem gleichen Kern 16 sitzen,
ist der Schaltungsaufwand um den normalerweise vorhandenen zweiten
Kern in beachtlichem Maße
reduziert worden.
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Das
vorstehend beschriebene Prinzip kann auch – unter Bezugnahme auf 3 – wie folgt
abgewandelt werden: D1 und D2 können Transformatorwicklungen
sein. Tp kann eine Drosselwicklung sein. D3 und Ts denkt man
sich weg. Auch bei einer solchen abgewandelten Version sind die
Transformatorwicklungen einerseits und die Drosselwicklung andererseits
gegeneinander entkoppelt, während
die beiden Transformatorwicklungen miteinander gekoppelt sind.