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Die Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät für eine Entladungslampe
mit einer Gleichspannungsversorgungsstufe, hochfrequent getakteten
Halbleiterschaltern zur Änderung
der Stromrichtung durch die Entladungslampe, einer in Reihe zur
Entladungslampe liegenden Drosselinduktivität und Entlastungsschaltungen
für die
Halbleiterschalter, die jeweils aus einem parallel zu dem Halbleiterschalter
angeordneten Kondensator und einem antiparallel geschalteten Gleichrichter
bestehen.
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Derartige Vorschaltgeräte sind
beispielsweise aus WO 00/30413 A1 bekannt und werden zur Steuerung
von Entladungslampen, insbesondere Hochdruck-Entladungslampen, eingesetzt.
Die Halbleiterschalter können
dabei in einer Vollbrücke
oder in einer Halbbrücke
angeordnet werden. Für
die Erzeugung der Gleichspannung wird dabei vorzugsweise ein Aufwärtswandler
verwendet, der beispielsweise in der Lage ist, aus einer 220 V-Wechselspannung eine
370 V-Gleichspannung zu bilden, die für die Versorgung der Entladungslampe
verwendbar ist.
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Die Umkehr der Stromrichtung durch
die Entladungslampe erfolgt durch die Anordnung der seriellen Drosselinduktivität in Verbindung
mit einem Serienkondensator. Die Entlastungsschaltungen für die Halbleiterschalter
dienen zur Vermeidung von Strom- und Spannungsspitzen beim Umschalten
von einer Stromrichtung zur andern, wenn während eines kurzen Zeitintervalls
der bisher offene Schalter noch offen ist und der bisher geschlossene
Schalter geöffnet wird.
Der Entlastungsstrom fließt
dabei in die Entlastungskondensatoren über die Drosselinduktivität.
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Ein Problem derartiger Vorschaltgeräte besteht
dann, wenn ein ungewollter Leerlaufbetrieb entsteht, wenn beispielsweise
die Entladungslampe ausgefallen oder noch gar nicht eingesetzt ist.
Da die Entlastung in diesen Fällen
nicht wirksam sein kann, besteht die Gefahr einer Zerstörung der
Halbleiterschalter. Es muss daher bei den bekannten Vorschaltgeräten sorgfältig darauf
geachtet werden, dass kein Leerlauf-Betrieb auftritt.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die
Aufgabe zugrunde, ein Vorschaltgerät der eingangs erwähnten Art
so auszubilden, dass eine wirksame Entlastung auch im Leerlauf möglich ist,
ohne den regulären
Betrieb des Vorschaltgeräts
zu beeinträchtigen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem
Vorschaltgerät
der eingangs erwähnten
Art dadurch gelöst,
dass parallel zur Entladungslampe eine Serienschaltung einer Hilfsinduktivität und eines
in Abhängigkeit
von der Spannung der Entladungslampe schaltbaren Schalters angeordnet
ist.
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Vortelhafte Ausgestaltungen sind
in den Unteransprüchen
angegeben. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass die Spannung
der Entladungslampe im nichtgezündeten
Betrieb wesentlich höher
ist als im gezündeten
Betrieb. Demgemäß wird eine
Spannungsdetektion der Spannung der Entladungslampe dazu verwendet,
den in Serie mit der Hilfsinduktivität liegenden Schalter zu schließen, um die
Entlastung der Halbleiterschalter über die Hilfsinduktivität zu ermöglichen,
wenn die Entladungslampe wegen eines Defekts nicht zündet oder gar
nicht eingesetzt ist. Zündet
hingegen die Entladungslampe, tritt im Lampenkreis ein Strom auf,
der sensiert wird und den Schalter öffnet, sodass für den gezündeten Betrieb
der Entladungslampe die Hilfsinduktivität unwirksam bleibt.
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Die Hilfsinduktivität hat die
Aufgabe, einen Mindeststromfluss durch die Halbleiterschalter zu
gewährleisten.
Dieser Strom ist wesentlich geringer als der Nennstrom im Betrieb
der Lampe, sodass die Hilfsinduktivität einen etwa fünfmal so
großen
Wert wie die Hauptinduktivität
annehmen kann. Der bauliche Aufwand für die Hilfsinduktivität kann jedoch
geringer gehalten werden als für
die Hauptinduktivität, da
einerseits die Strombelastung wesentlich geringer ist und andererseits
durch eine geeignete Steuerung die Induktivität nur kurzzeitig Strom führen muss.
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Das erfindungsgemäße Vorschaltgerät wird vorzugsweise
mit einer Steuerschaltung betrieben, die die Taktfrequenz der Halbleiterschalter
in Abhängigkeit
von einem detektierten Stromfluss durch die Entladungslampe steuert.
Dabei wird ausgenutzt, dass die mit der Entladungslampe in Serie
geschalteten Induktivitäten
einen frequenzabhängigen
Widerstand darstellen, sodass durch die Frequenzänderung eine Änderung
des Widerstands – und
damit des fließenden
Stroms – erfolgt.
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Die Erfindung soll im Folgenden anhand
eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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Die Zeichnung zeigt ein schematisches Schaltbild
einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts.
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An Klemmen 1 einer Netzspannung
(220V) ist eine Gleichspannungsversorgungsstufe 2 in Form eines
Aufwärtswandlers
angeschlossen. Schematisch dargestellt ist eine Gleichrichterbrücke 3,
eine Längsinduktivität 4 und
ein parallel geschalteter Schalter 5 und eine Diode 6 an
einem positiven Ausgang der Gleichspannungsversorgungsstufe 2.
Die von der Gleichspannungsversorgungsstufe 2 auf zwei
Ausgangsleitungen 7, 8 abgegebene Gleichspannung
liegt über
einem zwischen diesen Leitungen 7,8 geschalteten
Glättungskondensator 9 in
geglätteter
Form an. Parallel zum Kondensator ist eine Serienschaltung aus zwei
Halbleiterschaltern 10, 11 eingeschaltet. Die
beiden Halbleiterschalter 10, 11 werden durch
eine Steuerschaltung 12 alternierend mit einer Frequenz
von 300 bis 400 kHz ein- und ausgeschaltet, wobei die Schaltfrequenz
in Abhängigkeit von
dem über
den jeweils geschlossenen Halbleiterschalter 10, 11 fließenden,
mit einem Stromsensor 13 gemessenen Strom geregelt wird,
um so einen konstanten Strom zu erzeugen. Die die positive Gleichspannung
führende
Ausgangsleitung 7 ist über
einen Kondensator 14 und einen Zündübertrager 15 mit einer
Elektrode einer Entladungslampe 16 verbunden. Die andere
Elektrode der Entladungslampe 16 ist über eine in Serie geschaltete
Drosselinduktivität 17 mit
einem Verbindungspunkt 18 zwischen den beiden Halbleiterschaltern 10, 11 verbunden.
Der Kondensator 14 ist so dimensioniert, dass an ihm etwa
die Hälfte
der zugeführten
Gleichspannung abfällt.
Demzufolge liegt über
der Entladungslampe 16 etwa die halbe Spannung an, die über dem
Glättungskondensator 9 ansteht.
Die Stromrichtungsumkehr durch die Entladungslampe 16,
die durch die Halbleiterschalter 10, 11 herbeigeführt wird,
führt zu
einem nur geringen Anstieg oder Abfall dieser halben Spannung, die
somit – abgesehen
von geringen Schwankungen im Takt der Umschaltung der Halbleiterschalter 10, 11 – im Wesentlichen
konstant bleibt. Geändert
wird somit lediglich die Richtung des Stroms durch die Entladungslampe 16.
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Zur Vermeidung von Schaltverlusten
der Halbleiterschalter 10, 11 beim Öffnen des
vorher geschlossenen Halbleiterschalters 10, 11 während der andere,
vorher offene Halbleiterschalter 10, 11 zur Vermeidung
eines Kurzschlussstroms für
eine kurze Zeitdauer ebenfalls noch geöffnet ist, sind parallel zu den
beiden Halbleiterschaltern 10, 11 Parallelschaltungen
jeweils eines Kondensators 19 und einer antiparallel geschalteten
Diode 20 geschaltet. Der durch den geschlossenen zugehörigen Halbleiterschalter 10, 11 entladene
Kondensator 19 lädt
sich beim Öffnen
des zugehörigen
Halbleiterschalters 10, 11 auf und übernimmt
so den beim Öffnen
des Halbleiterschalters 10, 11 vom Halbleiterschalter 10, 11 geführ ten Strom
der Drossel 17 zur Hälfte,
sodass die Ausschaltverluste in diesem Halbleiterschalter 10, 11 wesentlich
reduziert werden. Der parallel zum bisher geöffneten Halbleiterschalter 10, 11 geschaltete
Kondensator 19 ist im Schaltzeitpunkt auf die Eingangsspannung
aufgeladen und übernimmt
die zweite Hälfte
des Stroms, wodurch er entladen wird, sodass das anschließende Einschalten
dieses Halbleiterschalters 10, 11 spannungslos
und damit verlustfrei erfolgt. Der Entlastungsstrom fließt im übrigen über den
Lampenstromkreis, also die Drosselinduktivität 17, die Lampe 16,
den Zündübertrager 15 und den
Kondensator 14.
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Für
den Fall, dass die Lampe 16 defekt ist und nicht zündet oder
versehentlich gar nicht in die zugehörige Fassung eingesetzt worden
ist, kann der Entlastungsstrom somit nicht fließen.
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Um dennoch eine wirksame Entlastung
der Halbleiterschalter 10, 11 sicherzustellen,
ist parallel zu der Anordnung aus Lampe 16 und Zündübertrager 15,
also zwischen Schaltungspunkten 26, 27, eine Hilfsinduktivität 21 in
Serie mit einem Schalter 22 eingeschaltet.
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Der Schalter 22 wird, gesteuert
durch geeignete Sensoren, geschlossen, sobald sich die Spannung
zwischen den Schaltungspunkten 26 und 27 einer
Leerlaufspannung von etwa 185 V nähert. Dadurch fließt über die
Hilfsinduktivität 21 ein
Strom, der die oben beschriebene Umladung der den Halbleiterschaltern 10, 11 parallel
geschalteten Kondensatoren 19 an Stelle des Lampenstroms
gewährleistet.
Der Schalter 22 wird geöffnet,
sobald ein Lampenstrom einer bestimmten Größe sensiert wird.
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Damit ist sichergestellt, dass im
normalen Betrieb der Lampe 16 die Funktion des Vorschaltgeräts durch
die Hilfsinduktivität
nicht verändert
wird, sondern dass die Hilfsinduktivität 21 nur unter Leerlaufbedingungen
zur Erzeugung des Entlastungsstroms wirksam wird.
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Parallel zu der Anordnung aus Zündübertrager 15 und
Lampe 16 ist ferner ein Schalter 23 in Serie mit
einer Parallelschaltung aus einem Kondensator 24 und einem
Widerstand 25 geschaltet. Diese Schaltung dient zur Unterstützung der
Zündung
der Lampe 16.
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Die zwischen den Ausgangsleitungen 7, 8 anstehende
Gleichspannung wird über
den Kondensator 14, der sich auf die Hälfte der Gleichspannung auflädt, abgetrennt.
Dadurch nimmt die Amplitude der zwischen den Schaltungspunkten 26, 27 auftretenden
Wechselspannung ebenfalls nur den halben Wert der Gleichspannung
an. Die Größe dieser Spannung
gewährleistet
keine sichere Zündung
der Lampe 16.
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Zur Unterstützung der Zündung wird der Schalter 23 für den Zündvorgang
geschlossen. Der Kondensator 24 bildet mit der Drosselinduktivität 17 einen
Schwingkreis und ist so dimensioniert, dass die Resonanzfrequenz
des Schwingkreises aus Drosselinduktivität 17 und Kondensator 24 auf
einer höheren Harmonischen
der Schaltfrequenz der Halbleiterschalter 10, 11 liegt.
Dadurch addiert sich zu der zwischen dem Verbindungspunkt 18 und
dem Schaltungspunkt 27 anstehenden Rechteckspannung der Halbleiterschalter 10, 11 eine
Oberschwingungsspannung der Drossel 17, sodass die für eine sichere Ausbildung
des Lichtbogens unmittelbar nach der Zündung der Lampe 16 erforderliche
Spannungsamplitude erreicht wird.
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Die Abstimmung des aus Drosselinduktivität 17 und
Kondensator 24 gebildeten Serienschwingkreises auf eine
höhere
Harmonische, vorzugsweise die fünfte
Harmonische, bietet in Verbindung mit der Dämpfung durch den Parallelwiderstand 25 die
Gewähr,
dass die Halbleiterschalter 10, 11 nicht mit einem Überstrom
belastet werden, wie dies der Fall wäre, wenn der Schwingkreis aus
Drosselinduktivität 17 und
Kondensator 24 auf die Resonanzfrequenz der Umschaltfrequenz
der Halbleiterschalter 10, 11 direkt eingestellt
wäre.
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Es ist nicht ausgeschlossen, dass
für bestimmte
Ausführungsformen
der Erfindung andere Oberwellen als die fünfte Oberwelle verwendbar sind,
beispielsweise die dritte Oberwelle. Kriterium für die Auswahl der Oberwelle
ist die sichere Einstellung der gewünschten Spannungserhöhung ohne
die Gefahr der Belastung der Halbleiterschalter 10, 11 durch Überstrom.
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Nicht dargestellt ist in dem schematischen Schaltbild
die Möglichkeit
einer Abschaltung des gesamten Vorschaltgeräts, wenn die Stromflussmessung,
beispielsweise mit dem Sensor 13, ergibt, dass die Leerlaufbedingung
für eine
gewisse Mindestperiode, beispielsweise von einigen Sekunden, anhält. Demzufolge
ist es möglich,
die Hilfsinduktivität 21 vom
Bauvolumen her klein zu dimensionieren, da sie nur für eine begrenzte
Zeit die Entlastungsfunktion ausüben
muss.