-
Die Erfindung bezieht sich auf das Zünden einer Gasentladungslampe mit verringerter Lichtblitzgefahr, bei dem zunächst Netzspannung gleichgerichtet und die Gleichspannung dann in eine hochfrequente Wechselspannung umgewandelt wird, bei dem die hochfrequente Wechselspannung einem Reihenresonanzkreis zugeführt wird, bei dem der Lampe die über dem Resonanzkondensator abfallende Spannung zugeführt wird, und bei dem die Frequenz der hochfrequenten Wechselspannung zum Zünden in die Nähe der Resonanzfrequenz des Reihenresonanzkreises gefahren wird, wobei die hochfrequente Wechselspannung (UHF) der Lampe (3) während der Zündphase nur bei positiven Halbwellen der Netzspannung (UN) zugeführt wird.
-
-
Dokument
DE 28 09 419 A1 offenbart eine Triggerschaltung zum Betrieb einer Bogenentladungsblitzlampe, wobei die Zündzeit der Blitzlampe phasenabhängig gesteuert wird.
-
Wenn die Frequenz der hochfrequenten Wechselspannung die Resonanzfrequenz des Reihenresonanzkreises erreicht, so kann an dem Resonanzkondensator eine Spannung von über 100 V entstehen, die zum Zünden der Lampe geeignet ist.
-
Beim Starten der Lampe tritt infolge des Ableitstroms zwischen der Gerätemasse und Schutzerde bzw. dem Gerätegehäuse ein unerwünschter Effekt in Form eines Lichtblitzes auf, der um so stärker ist, je höher die Zündspannung und je niedriger der Dimmpegel ist.
-
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Zünden bzw. Starten einer Gasentladungslampe anzugeben, welches gewährleistet, dass der beim Starten auftretende Lichtblitz weitgehend minimiert oder möglichst sogar unterdrückt wird.
-
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Synchronisierungsmittel den Wechselrichter steuern, derart, dass dieser während der Zündphase nur bei positiven Netzhalbwellen arbeitet.
-
Der Erfindung liegt die später noch detailliert begründete Erkenntnis zugrunde, dass der für den Lichtblitz verantwortliche Ableitstrom bei positiven Netzhalbwellen geringer ist als bei negativen Netzhalbwellen.
-
Ein elektronisches Vorschaltgerät, bei dem das verbesserte Verfahren Anwendung findet, kann bspw. von einem aus der
EP 0 634 087 B1 nahegelegten Vorschaltgerät ausgehen, das einen an das Netz anzuschließenden Gleichrichter, einen von dem Gleichrichter mit Gleichspannung versorgten Wechselrichter und einen von dem Wechselrichter mit hochfrequentem Wechselstrom gespeisten Serienresonanzkreis aufweist, wobei die Gasentladungslampe zu dem Resonanzkondensator parallel zu schalten ist, mit Synchronisierungsmitteln zum Synchronisieren der der Gasentladungslampe (
3) zugeführten hochfrequenten Wechselspannung (U
HF) mit der Netzspannung (U
N) derart, dass die hochfrequente Wechselspannung (U
HF) der Gasentladungslampe (
3) während der Zündphase nur bei positiven Netzhalbwellen zugeführt wird.
-
Um ein solches elektronisches Vorschaltgerät zu starten, ohne dass ein störender Lichtblitz auftritt, sind Synchronisierungsmittel vorgesehen, die den Wechselrichter steuern, derart, dass der Wechselrichter während der Zündphase nur bei positiven Netzhalbwellen arbeitet.
-
Konkrete Ausgestaltungen der Synchronisierungsmittel sind Gegenstand der Ansprüche 4 bis 6.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.
-
Es zeigen:
-
1 die Schaltung des teilweise schematisierten Vorschaltgerätes mit angeschlossener Lampe;
-
2 ein Ersatzschaltbilder zur Erklärung der Spannungsverhältnisse;
-
3 bis 6 und 11 den zeitlichen Verlauf von Spannungen an verschiedenen Stellen der Schaltung nach 1, wobei die Darstellung nicht maßstäblich ist;
-
7 eine konkrete Ausgestaltung der Erkennungsschaltung;
-
8 bis 10 den zeitlichen Verlauf von Spannungen an verschiedenen Stellen der Erkennungsschaltung nach 7.
-
Das Vorschaltgerät gemäß 1 befindet sich in einem Metallgehäuse 5. Es ist mit drei Eingangsanschlüssen L, N und S versehen. Die Eingangsanschlüsse L und N werden an die Wechselspannungsanschlüsse des Wechselstromnetzes angeschlossen, wobei es gleichgültig ist, ob der Eingangsanschluss L mit dem Phasenanschluss und der Eingangsanschluss N mit dem Null-Leiteranschluss verbunden sind oder umgekehrt. Auf jeden Fall muss der Eingangsanschluss mit dem Schutzerdeanschluss des Wechselstromnetzes verbunden werden.
-
Die an den Eingangsanschlüssen L und N anliegenden Netzwechselspannung UN wird über die beiden Drosseln L1, L2 dem Eingang eines Brückengleichrichters 1 zugeführt, dessen Eingangsanschlüsse mit 11 und 12 bezeichnet sind. Mit den Eingangsanschlüssen 11 und 12 des Brückengleichrichters 1 ist ein Oberwellenfilter 4 verbunden, das aus den Drosseln L1, L2 und dem Kondensator C3 besteht. Der Kondensator C3 ist direkt zu dem Eingang des Brückengleichrichters 1 parallel geschaltet. Die Funkentstörkondensatoren C1 und C2 sind in Reihe geschaltet und – als Reihenschaltung – ebenfalls zum Eingang des Brückengleichrichters 1 parallel geschaltet. Der Verbindungspunkt zwischen den Kondensatoren C1, C2 ist mit dem Schutzerdeanschluss verbunden.
-
Der Brückengleichrichter 1 besteht aus vier Dioden D1, D2, D3 und D4, die in üblicher Weise gepolt sind.
-
Die Ausgangsanschlüsse des Brückengleichrichters 1 sind mit 13 und 14 bezeichnet. Zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen 13 und 14 liegt ein Glättungskondensator C4. Der Ausgangsanschluß 13 des Brückengleichrichters 1 ist mit einer schaltungsinternen Masse 6 verbunden.
-
Der Ausgang des Brückengleichrichters 1 ist mit dem Eingang eines Wechselrichters 2 verbunden, dessen Frequenz wie üblich zum Vorwärmen und Zünden der Lampe veränderbar und regelbar ist. Gedimmt werden kann die Lampe durch Frequenz und/oder Tastverhältnisvariationen. Der Regelungsteil ist hier der Einfachheit halber nicht gesondert dargestellt. Ein Eingangsanschluss und ein Ausgangsanschluss des Wechselrichters 1 ist jeweils mit der Masse 6 verbunden. Der Ausgang des Wechselrichters 2 gibt eine Hochfrequenzspannung UHF ab. Diese wird über eine Induktivität L3 und einen Trennkondensator C8 einem Ausgangsanschluß 20 des Vorschaltgerätes zugeführt. Ein zweiter Ausgangsanschluss 21 ist über einen Shunt-Widerstand RS mit Masse 6 verbunden. Ein dritter Ausgangsanschluss 19 und ein vierter Ausgangsanschluss 22 sind durch einen Parallelkondensator C5 miteinander verbunden. Die Heizungsanschlüsse der einen Lampenelektrode liegen an den Ausgangsanschlüssen 19 und 20. Die Heizungsanschlüsse der anderen Lampenelektrode liegen an den Ausgangsanschlüssen 21 und 22.
-
Die über dem Shunt-Widerstand RS abfallende Spannung, die dem Lampenstrom proportional ist, wird über eine Leitung B (dem nicht dargestellten) Regelungsteil des Wechselrichters 2 zugeführt.
-
Die Wirkung der Schaltung des Vorschaltgerätes gemäß 1 zum Betrieb der Lampe 3 an sich bekannt. Die Beschreibung kann daher entsprechend kurz gehalten werden. Mit dem Wechselrichter 2 ist es möglich, eine Hochfrequenzspannung UHF zu erzeugen, die etwa gleich der Resonanzfrequenz des von der Induktivität L3 und dem Parallelkondensator C5 gebildeten Serienresonanzkreises ist. Bei der dieser Resonanzfrequenz tritt an dem Parallelkondensator V5 eine Spannungsüberhöhung auf, die zur Zündung der Lampe 3 führt. Nachdem die Lampe 3 gezündet ist, können der Lampenstrom und die Lampenspannung und damit auch die Lampenhelligkeit durch Veränderung der Frequenz der Hochfrequenzspannung UHF geregelt werden. Ferner kann die Lampe 3 durch Veränderung der Frequenz und/oder des Tastverhältnisses gedimmt, d. h. hell- oder dunkelgesteuert werden.
-
Zwischen der Gerätemasse 7 und Schutzerde 7 ist ein Kondensator C7 eingeschaltet, der ein netzfrequentes Flackern des Lichtes der Lampe nach dem Starten vermeiden soll.
-
Wie eingangs beschrieben, ist bei mit Vorschaltgeräten der in 1 gezeigten Art betriebenen Lampen insbesondere im herabgedimmten Zustand ein mehr oder weniger starkes Blitzen zu beobachten, das störend ist. Die Ursache für dieses Blitzen soll nachfolgend erläutert werden.
-
Es sei angenommen, dass der Eingangsanschluß L mit dem Phasenanschluss des Netzes verbunden sei, und dass der Eingangsanschluss N mit dem Null-Leiteranschluss des Netzes verbunden sei. Bekanntlich liegt der Null-Leiteranschluß des Wechselstromnetzes von Kraftwerksbetreiber her auf dem Potential von Schutzerde, d. h. im Kraftwerk sind Schutzerde und Null-Leiter miteinander verbunden. Aus Sicherheitsgründen werden der Null-Leiter und die Schutzerde dann separat zum Verbraucher, d. h. an die Steckdose geführt.
-
Wenn am Eingangsanschluss L eine positive Netzhalbwelle anliegt, so sind die Dioden D2 und D3 des Brückengleichrichters 1 leitend. An der Diode D3 fällt die Dioden-Durchschaltspannung von 0,7 V ab. Das bedeutet, dass der Schaltungspunkt 19 und damit die mit dieser verbundene Masse 6 eine Spannung haben, die um +0,7 V über derjenigen an dem Schaltungspunkt 12 bzw. dem Eingangsanschluß N bzw. Schutzerde S liegen.
-
Wenn an dem Eingangsanschluss L die negative Netzspannungshalbwelle anliegt, so sind die Dioden D1 und D4 des Brückengleichrichters 1 leitend. Das bedeutet, dass über der Diode D1 die Dioden-Durchschaltspannung von 0,7 V abfällt. Zum Zeitpunkt der Netzspitzenspannung von etwa –320 V haben dann der Schaltungspunkt 13 und die Masse 6 eine um +0,7 V höhere Spannung als der Schaltungspunkt 11 und der Eingangsanschluss L, d. h. die Masse 6 liegt in diesem Fall auf dem Potential von –319,3 V.
-
Die Spannung der Masse 6 schwankt also gegenüber Schutzerde 8 bzw. dem Potential des Gerätegehäuses 5 von Halbwelle zu Halbwelle zwischen +0,7 V und –319,3 V, also um die Spannung U2 = 320 V.
-
Da auch der eine Ausgangsanschluss des Wechselrichters 2 mit der Masse 6 verbunden ist, ist in 1 diese von Halbwelle zu Halbwelle schwenkende Spannung U2 zwischen dem Ausgangsanschluss des Wechselrichters 2 und dem Gehäuse 5 dargestellt.
-
3 zeugt den zeitlichen Verlauf der sinusförmigen Netzspannung UN sowie den etwa rechteckförmigen Verlauf der über den Eingang des Brückengleichrichters 1 abfallende Spannung U1. Der rechteckförmige Verlauf ergibt sich durch Zusammenwirken des Brückengleichrichters 1 mit dem Oberwellenfilter und dem Kondensator C4. UN und U1 können in Abhängigkeit von den Schaltelementen phasenverschoben sein.
-
4 zeigt den zeitlichen Verlauf der geglätteten Gleichspannung UG am Ausgang des Brückengleichrichters 1.
-
5 zeigt den zeitlichen Verlauf der zwischen der Masse 6 und Schutzerde bzw. dem Gerätegehäuse auftretenden Spannung U2. Die Spannung U2 bildet das Basispotential für die von dem Wechselrichter 2 erzeugte Hochfrequenzspannung UHF. Deren zeitlicher Verlauf ist in 6 dargestellt.
-
6 zeigt den Verlauf der Hochspannung bei dem in 1 gezeigten Vorschaltgerät, wenn die danach noch erläuterte erfinderische Maßnahme nicht wirksam ist. Man erkennt in 6, dass je nachdem, ob die positive oder die negative Netzhalbwelle anliegt, die Spitzenamplitude der Hochfrequenzspannung gegen Schutzerde unterschiedlich ist. Bei der positiven Netzhalbwelle ist die Spitzenamplitude UDIFF(min.) und bei der negativen Netzhalbwelle ist die Spitzenamplitude UDIFF(max). Je höher die Spitzenamplitude ist, desto höher ist der Ableitstrom gegen Schutzerde. Und je höher der Ableitstrom ist, desto stärker ist das unerwünschte Blitzen beim Starten.
-
Hier greift nun die erfinderische Maßnahme in Form einer Erkennungsschaltung 24 ein, die in 1 als Block dargestellt ist. Die Erkennungsschaltung stellt an ihrem Ausgang ein Synchronisationssignal für den Wechselrichter 2 zur Verfügung, welches dahingehend Einfluss auf den Wechselrichter nimmt, dass dieser nur während der positiven Netzhalbwellen arbeitet, während der negativen Netzhalbwellen jedoch ausgeschaltet ist.
-
Den Spannungsverlauf der Hochfrequenzspannung UHF(neu) zeigt 12. Man erkennt, dass die Ausschaltphase t2 sogar größer ist als die Einschaltphase t1. Warum dies so ist, wird später noch genauer dargestellt. Entscheidend ist, dass bei diesem Spannungsmuster nur die kleineren Maximalamplituden UDIFF(min) auftreten können. Auf diese Weise ist es möglich, die Blitzproblematik zu verringern und so zu beherrschen, dass insbesondere bei herabgedimmten Lampen dennoch auftretende Blitze immer gleich stark und nahezu nicht störend sind.
-
Bei der Erkennungsschaltung 24 handelt es sich also um ein Synchronisationsmittel. Die Erkennungsschaltung und ihre Funktion sollen nachfolgend im Detail erläutert werden.
-
Wie man der 7 entnehmen kann, wird der Eingang der Erkennungsschaltung 24 von zwei Anschlüssen A, B, gebildet. Diese Anschlüssen liegen an den Anschlüssen der Brückendiagonalen 11, 12 des Brückengleichrichters. Mit Anschluss A ist ein separater Widerstand R1 verbunden. Mit Anschluss B ist ein separater Widerstand R2 verbunden. Die beiden separaten Widerstände R1 und R2 sind andererseits mit einem Vorwiderstand R3 verbunden, der zu einem gemeinsamen Widerstand R4 führt, welcher andererseits an Masse 6 liegt. Zu dem gemeinsamen Widerstand R4 ist ein Entstörkondensator C10 parallel geschaltet. Der Verbindungspunkt zwischen dem Vorwiderstand R3 und dem gemeinsamen Widerstand R4 liegt am (+)-Eingang eines Komparators K. Am (–)-Eingang des Komparators K liegt eine Referenzspannung Vref. Die Ausgangsspannung des Komparators K ist Vout. Diese wird über die Leitung 25 dem Wechselrichter zur Synchronisierung zugeführt.
-
Für das Funktionieren der Schaltung ist noch wichtig, dass der Widerstandswert des separaten Widerstands R2 größer ist als der Widerstandswert des separaten Widerspruchs R1.
-
8 zeigt den Spannungsverlauf UN am Eingang der Erkennungsschaltung 24. Dabei ist der Einfachheit halber die Wirkung des Oberwellenfilters 4 ignoriert worden, so dass U1 = UN ist. Das bedeutet also, dass am Eingang der Erkennungsschaltung eine sinusförmige Spannung mit wechselnden positiven und negativen Halbwellen anliegt, deren Frequenz entsprechend der Netzfrequenz 50 Hz ist.
-
Der Brückengleichrichter der Erkennungsschaltung 24 zerlegt die Eingangsspannung UN in eine positive und eine negative Spannungskomponente, die jeweils eine Spannungsquelle für einen separaten Stromkreis bilden.
-
Der Strom in dem ersten Stromkreis ist durch die positive Netzhalbwelle getrieben. Der Strom in dem zweiten Stromkreis ist durch die negative Netzhalbwelle getrieben.
-
Der durch die positive Netzhalbwelle getriebene Strom nimmt folgenden Verlauf: Ausgehend vom Anschluss 11 des Brückengleichrichters fließt der Strom über den separaten Widerstand R1, den Vorwiderstand R3, den gemeinsamen Widerstand R4, über Gerätemasse 6 zu dem Anschluss 13 des Brückengleichrichters und schließlich über die Brückendiode D3 zum Anschluss 12 des Brückengleichrichters.
-
Wenn an dem Brückengleichrichter eine negative Netzhalbwelle anliegt, so bedeutet das, dass Anschluss 11 negativ ist und Anschluss 12 positiv. In diesem Fall nimmt der Strom seinen Ausgang am Anschluss 12 des Brückengleichrichters, fließt über den separaten Widerstand R2, weiter über den Vorwiderstand R3, den gemeinsamen Widerstand R4, über Gerätemasse 6 zu dem Anschluss 13 des Brückengleichrichters und schließlich über die Brückendiode D1 zum Anschluss 11.
-
Man erkennt, dass der separate Widerstand R1 nur von dem von der positiven Netzhalbwelle getriebenen Strom durchflossen wird, während der separate Widerstand R2 nur von dem von der negativen Netzhalbwelle getriebenen Strom durchflossen wird. Durch den gemeinsamen Widerstand R4 fließen dagegen beide Ströme, und zwar in gleicher Richtung. Allerdings ist durch die bereits oben angegebene Bedingung (R2 > R1) der durch den separaten Widerstand R1 fließende Strom größer als der durch den separaten Widerstand fließende Strom R2. Die an dem gemeinsamen Widerstand R4 abfallende Spannung ist in 9 gezeigt. Man erkennt, dass die Spannung aus nur positiven Halbwellen besteht, wobei jedoch von zwei Halbwellen jeweils eine eine größere Amplitude hat, als die andere.
-
Wie man der 9 entnehmen kann, ist die Referenzspannung Vref so gewählt, dass sie höher als die niedrigere Amplitude der aufeinander folgenden Halbwellen ist. Das hat zur Folge, dass am Ausgang des Komparators K Rechteckimpulse mit einer Frequenz von 50 Hz auftreten, die zur Synchronisierung des Wechselrichters 2 verwendet werden. Dabei ist die Zeit eines Impulses t1 zwangsläufig kürzer als die Zeit t2 einer Impulspause.
