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Die
Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät für eine Gasentladungslampe,
insbesondere für
Leuchtstofflampen.
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Gasentladungslampen,
insbesondere Leuchtstofflampen, werden heute häufig mit elektronischen Vorschaltgeräten betrieben.
Diese sind dazu eingerichtet, die Betriebsparameter einer Gasentladungslampe
relativ genau einzuhalten, so dass beim Lampendesign geringere Toleranzen
hinsichtlich der Betriebsspannungen und Betriebsströme einkalkuliert
werden müssen.
Dies ermöglicht
die Miniaturisierung von Gasentladungslampen und das Erschließen neuer
Einsatzgebiete. Die Möglichkeiten
einer Leuchtstofflampe lassen sich somit wei ter ausreizen. Dies
hat aber zur Folge, dass die in einer solchen Gasentladungslampe
vorhandenen technischen Reserven, beispielsweise hinsichtlich thermischer
Belastung oder elektrischer Überlastung,
minimiert sind. Verändern
sich die elektrischen Parameter einer Gasentladungslampe beispielsweise
gegen Lebensdauerende darf dies keinesfalls zur Entstehung gefährlicher
Zustände,
beispielsweise zur Überhitzung der
Lampe oder gar zur Zerstörung
derselben, führen.
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Davon
ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Vorschaltgerät für eine Gasentladungslampe
zu schaffen, das eine erhöhte
Sicherheit gegen fehlerhaften Betrieb einer Gasentladungslampe aufweist.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Vorschaltgerät nach Anspruch 1 gelöst:
Das
erfindungsgemäße Vorschaltgerät eignet
sich insbesondere für
den Betrieb von Leuchtstofflampen und hier wiederum insbesondere
für den
Betrieb von Leuchtstofflampen mit beheizten Elektroden. Solche Leuchtstofflampen
haben so genannte Emitterelektroden, d.h. beispielsweise Heizwendeln,
die mit einem Material beschichtet sind, das eine geringe elektrische
Austrittsarbeit aufweist. Zum Zünden
der Leuchtstofflampe werden die Elektroden beheizt, was den Austritt
von Elektronen aus den Elektroden erleichtert oder überhaupt
erst ermöglicht.
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Mit
Alterung einer solchen Lampe kann die Emissionsfähigkeit der beiden Elektroden
unterschiedlich abnehmen. Damit tritt an der Gasentladungslampe
ein Gleichrichtereffekt auf, der mit einer erhöhten Erwärmung der Gasentladungslampe (Leuchtstofflampe)
einhergeht. Das erfindungs gemäße Vorschaltgerät weist
eine Mittelwerterfassungseinrichtung auf, die den an der Lampe anstehenden Spannungsmittelwert
darauf hin prüft,
ob dieser innerhalb einer vorgegebenen Toleranz liegt. Idealerweise
sollte der Spannungsmittelwert Null sein. Werden die Toleranzgrenzen überschritten
wird eine in dem Vorschaltgerät
vorgesehene Abschalteinrichtung getriggert, so dass das Vorschaltgerät stillgesetzt
wird. Damit kann der Betrieb einer zu weit gealterten Lampe sicher
unterbunden und somit auch die Entstehung gefährlicher Situationen, beispielsweise durch
Lampenüberhitzung,
vermieden werden. Die Abschalteinrichtung rastet nach dem Auslösen vorzugsweise
in ihrer Abschaltposition ein. Sie kann durch länger währende Netzunterbrechung wieder deaktiviert
werden, wobei sie dann sobald ein Gleichrichtereffekt an der Gasentladungslampe
festgestellt wird, wiederum abschaltet. Damit ist der Betrieb von Leuchten,
die einzelne, am Lebensdauerende angekommene Gasentladungslampen
(Leuchtstofflampen) enthalten, gefahrlos möglich. Die verschlissenen Gasentladungslampen
bleiben abgeschaltet bis ein Austausch derselben erfolgt. Die betroffenen
Vorschaltgeräte
schalten sich dann automatisch wieder ein.
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Bekannte
Vorschaltgeräte
weisen in der Regel eine Schaltung zur Erkennung einer zu großen Lampenspannung
auf. Eine solche überhöhte Lampenspannung
tritt beispielsweise beim Zünden
einer Gasentladungslampe auf bevor die Gasentladung stabil brennt.
Vorzugsweise ist die Mittelwerterfassungsschaltung mit der Spannungserfassungsschaltung
verbunden, so dass der gleiche Spannungsabgriff von der Gasentladungslampe
und die gleiche Abschalteinrichtung genutzt werden können. Der Bauelementeaufwand
für die Überwachung
der Symmetrie der Lampenspannung kann somit minimiert werden. Dies
ist insbesondere für
den Spannungsabgriff von Bedeu tung. An der Gasentladungslampe können relativ
hohe Spannungen auftreten, die mit einem Spannungsteiler auf die üblichen,
auf einer miniaturisierten Leiterplatte herrschenden Spannungen zwischen
0 V und 20 V heruntergeteilt werden müssen. Ein solcher Spannungsteiler
erfordert spannungsfeste Widerstände,
die naturgemäß ein erhöhtes Bauvolumen
aufweisen. An den gemeinsamen Spannungsteiler können dann sowohl die Mittelwerterfassungsschaltung
als auch die Spannungserfassungsschaltung parallel angeschlossen
werden, wobei diese beispielsweise durch SMD-Bauelemente gebildet
werden.
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Die
beiden Erfassungsschaltungen können auch
ausgangsseitig parallel geschaltet werden, um die gleiche Abschalteinrichtung
zu nutzen. Eine mit der Abschalteinrichtung verbundene Signaleinrichtung,
beispielsweise eine Leuchtdiode, kann dazu genutzt werden, das Abschalten
der Abschalteinrichtung in Folge Erreichung des Lebensdauerendes
der Gasentladungslampe anzuzeigen. Dem Bediener ist es dabei gleichgültig, ob
die Abschaltung wegen Gleichrichtereffekts oder wegen zu lang oder
zu hoch anstehender Zündspannung
erfolgt ist.
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Vorzugsweise
weist die Mittelwerterfassungsschaltung zwei zueinander parallel
geschaltete Kanäle
auf, von denen ein erster zur Erkennung des Gleichrichtereffekts
in positiver Lampendurchflussrichtung und der zweite zur Erkennung
des Gleichrichtereffekts bezüglich
der negativen Lampendurchflussrichtung eingerichtet ist. Beide Kanäle können im
Wesentlichen parallel zu der Spannungserfassungsschaltung geschaltet
sein, die der Erkennung einer zu hohen Lampenspannung dient. Es
ergeben sich dann die Abschaltbedingungen der Gasentladungslampe
wie folgt: Die Gasentladungslampe wird abgeschaltet wenn
- – die
Lampenspannung längere
Zeit zu hoch ist oder
- – der
Mittelwert der Lampenspannung längere Zeit
von Null verschieden ist.
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Weitere
Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsbeispiele
der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder
aus Ansprüchen. In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
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1 das
Vorschaltgerät
als schematisches Blockschaltbild,
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2 ein
Blockschaltbild einer zu dem Vorschaltgerät gehörigen Sicherheitsschaltung
und
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3 die
Prinzipschaltung von Baugruppen der Sicherheitsschaltung als Schaltbild.
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In 1 ist
ein Vorschaltgerät 1 veranschaulicht,
das zum Betrieb einer Leuchtstofflampe 2 dient. Diese weist
ein Entladungsgefäß 3 mit
zwei beheizbaren Elektroden 4, 5 auf. Die Leuchtstofflampe 2 ist mit
dem Vorschaltgerät 1 über nicht
weiter veranschaulichte Fassungen verbunden, die ein Auswechseln
der Leuchtstofflampe 2 gestatten.
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Zu
dem Vorschaltgerät 1 gehört ein Zündkondensator 6,
der die beiden Elektroden jeweils an einem Ende miteinander verbindet.
Die anderen Enden der Elektroden 4, 5 sind mit
einem Betriebsspannungsausgang 7 des Vorschaltgeräts 1 verbunden. Der
Betriebsspannungsausgang 7 ist zugleich der Ausgang einer
Spannungserzeugungseinrichtung 8, zu der ein aus zwei alternierend öffnen und
schließende
Schalter 9, 10, beispielsweise in Form von Transistoren,
und ein kapazitiver Spannungsteiler 11, bestehend aus zwei
Kondensatoren 12, 13 gehören. Die Wechselrichterbrücke ist über einen
Koppelkondensator 14 und eine Vorschaltdrossel 15 mit
der Elektrode 4 verbunden. Der Koppelkondensator 14 und
die Vorschaltdrossel 15 bilden einen Resonanzkreis zum
Zünden
der Leuchtstofflampe 2. Während das Zünden in Resonanz erfolgt, ist
der Resonanzkreis bei normalem Betrieb verstimmt, so dass die Vorschaltdrossel 15 strombegrenzend
wirkt.
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Die
Elektroden 4, 5 sind mit dem Eingang 16 einer
Sicherheitsschaltung 17 verbunden, die dazu dient, fehlerhafte
Betriebszustände
der Leuchtstofflampe 2 zu erfassen. Die Sicherheitsschaltung 17 weist
einen mit der Spannungserzeugungseinrichtung 8 verbundenen
Ausgang 18 auf, der ein Sperr- oder Blockiersignal an die
Spannungseinrichtung 8 senden kann. Erfolgt dies, wird
die Spannungserzeugungseinrichtung 8 abgeschaltet, so dass
trotz an dem Eingang 19 anliegender Netzspannung keine Lampenspannung
mehr erzeugt wird.
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2 veranschaulicht
den Aufbau der Sicherheitsschaltung 17, die sowohl zur
Erfassung von Überspannungen
als auch zur Erfassung eines Gleichrichtereffekts dient. Die Sicherheitsschaltung 17 enthält eine
Spannungserfassungsschaltung 21, in deren Eingang ein Spannungsteiler 22 angeordnet ist.
Dieser bildet den Eingang 16 und ist über die beiden aus 1 ersichtlichen
Leitungen an die Leuchtstofflampe 2 angeschlossen. Der
Spannungsteiler 22 enthält
zumindest zwei, vorzugsweise aber drei ohmsche Widerstände, die
in Reihe geschaltet sind. Ein erster Spannungsabgriff U1 führt in der
Spannungserfassungsschaltung 21 zu einem Gleichrichter 23, der
mit einem Zeitgeberglied 24 verbunden ist. Die Gleichspannung
U3 an dem Ausgang des Zeitgeberglieds 24 eilt der Eingangsspannung
U2 des Zeitgeberglieds 24 nach. Ein an das Zeitgeberglied 24 angeschlossener
Schwellwertschalter 25 bildet den Ausgang der Spannungserfassungsschaltung 21 und ist
mit einer elektrisch verriegelbaren Einrichtung, wie beispielsweise
einem RS-Flip-Flop 26 verbunden. Das RS-Flip-Flop wird
gesetzt, d.h. in seinen EIN-Zustand
geschaltet, wenn es an seinem Eingang ein EIN-Signal erhält. Sein
Ausgang ist mit einer Abschalteinrichtung 27 verbunden,
die, wenn sie aktiviert wird, die Schalter 9, 10 der
Spannungserzeugungseinrichtung 8 in Offenstellung blockiert.
Der Rücksetzeingang
des RS-Flip-Flops 26 ist mit einem netzgetriggerten Timer 28 verbunden.
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Parallel
zu der Spannungserfassungsschaltung 21 sind zwei Kanäle 31, 32 einer
Mittelwerterfassungsschaltung 33 vorgesehen. Diese enthalten
jeweils einen Schwellwertschalter 34, 35, der
anspricht wenn das an den betreffenden Kanal 31, 32 anstehende
Signal einen Grenzwert überschreitet.
Die Grenzwerte der beiden Kanäle 31, 32 sind
vorzugsweise gleich festgelegt. Die Eingänge der Kanäle 31, 32 sind
mit dem Spannungsteiler 22 verbunden. Im einfachsten Fall
sind sie mit U1 verbunden. Vorzugsweise ist jedoch der untere Widerstand
des Spannungsteilers 22 in zwei Teilwiderstände aufgeteilt, wobei
an deren Spannungsteilerpunkt die Spannung U4 ansteht. Vorzugsweise
ist diese über
einen Kondensator C3 gepuffert. Die aus dem Spannungsteiler 22 und
dem Kondensator C3 gebildete Zeitkonstante ist vorzugsweise wesentlich
größer als
die Periodendauer der an der Leuchtstofflampe 2 anstehenden Wechselspannung,
so dass an dem Kondensator C3 eine Gleichspannung ansteht. Ist die
von der Gasentladungslampe 2 abgegriffene Wechselspannung symmetrisch
steht an dem Kondensator C3 keine Spannung (d.h. eine Spannung von
Null) an.
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Ausgangsseitig
sind die Kanäle 31, 32 mit der
Spannungserfassungsschaltung 21 oder-verknüpft, d.h.
der Setzeingang des RS-Flip-Flops erhält ein Signal, wenn auch nur
einer der Kanäle 31, 32 oder
die Spannungserfassungsschaltung 21 ein Signal liefern.
Die Oder-Verknüpfung
kann im einfachsten Fall durch eine Parallelschaltung der Kanalausgänge erfolgen,
wenn diese lediglich für
ein EIN-Signal aktiv, ansonsten aber passiv sind.
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3 veranschaulicht
eine schaltungsmäßige Realisierung.
Der Gleichrichter 23 wird durch eine Villard-Schaltung,
bestehend aus dem Kondensator C1 und den Dioden D1, D2, gebildet.
Der Ausgang der Villard-Schaltung ist zugleich das Zeitgeberglied 24 in
Form des Kondensators C2. Er ist so bemessen, dass er bei Anstehen
einer Leuchtstofflampenzündspannung
an dem Eingang 16 erst nach Ablauf einer vorgegebe nen Zeit
t von beispielsweise 5 sec. oder 10 sec. an dem Kondensator C2 eine
Spannung entstehen lässt,
die größer ist
als die Z-Spannung der Diode D3, die den Schwellwertschalter 25 bildet.
Ein parallel geschalteter Entladewiderstand R3 stellt das Entladen
des Kondensators C2 bei Netzunterbrechung sicher, so dass auch bei
aufeinander folgenden Zündversuchen
jeweils wieder im Wesentlichen die volle Zündzeit zur Verfügung steht.
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Der
Kanal 32 zur Erfassung des positiven Gleichrichtereffekts
setzt an dem Kondensator C3 an, der, wie oben erläutert, eine
der mittleren Brennspannung der Leuchtstofflampe 2 entsprechende Spannung
auf weist. Ist diese Spannung positiv und überschreitet sie die Z-Spannung
der als Schwellwertschalter 35 dienenden Z-Diode D4, wird
diese leitend und an dem ausgangsseitigen Widerstand R4 kann sich
ein Signal aufbauen.
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Die
Kanäle 31, 32 sind
durch Entkoppeldioden D5, D7 voneinander getrennt bzw. miteinander oder-verknüpft. Der
Kanal 31 ist dem Kanal 32 parallel geschaltet
und er enthält
einen invertierenden Schalter, beispielsweise in Form eines invertierenden Verstärkerbauelements.
Damit spricht er auf negative Spannungsmittelwerte an. Der entsprechende Schwellwertschalter 34 wird
durch eine Z-Diode D6 gebildet, die bezüglich der Z-Diode D4 gegensinnig gepolt
ist. Sie führt
auf die Basis des in Emitterschaltung invertierenden PNP-Transistors T1. Sein
Arbeitswiderstand wird durch einen Spannungsteiler R7, R8 gebildet,
der über
einen Kondensator C4 gepuffert ist. Von dem Spannungsabgriffspunkt
führt die Entkoppeldiode
D7 zu dem Widerstand R4, der gegen Masse geschaltet ist. Der über die
Z-Diode D3 mit dem Kondensator C2 und im Übrigen mit den Kanälen 31, 32 verbundene
Schaltungspunkt ist mit dem Setzeingang des RS-Flip-Flops verbunden.
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Das
insoweit beschriebene Vorschaltgerät 1 arbeitet wie folgt:
Nach
dem Einschalten beginnt der aus den Schaltern 9, 10 gebildete
Wechselrichter eine Wechselspannung mit einer Frequenz zu liefern,
die der Resonanzfrequenz des aus den Vorschaltdrossel 15 und dem
Zündkondensator 6 gebildeten
Serienresonanzkreis entspricht. Dadurch entsteht ein relativ großer Heizstrom
für die
Elektroden 4, 5 und eine hohe Zündspannung
an dem Zündkondensator 6.
Diese Zündspannung
wird von der Sicherheitsschaltung 17 erfasst. Sie führt zum
Aufladen des Kondensators C2 über
die Villard-Schaltung 23. Bevor der Kondensator C2 jedoch
eine Spannung erreicht hat, die über
der Z-Spannung der Z-Diode D3 liegt, hat die intakte Leuchtstofflampe 2 gezündet. Erfolgt
eine solche Zündung
nicht erhält
das RS-Flip-Flop 26 ein Eingangssignal und schaltet somit
ab. In diesem Fall wird der Betrieb des Wechselrichters unterbrochen und
die Leuchtstofflampe 2 erhält keine weitere Spannung.
Sie ist somit stillgesetzt. Dieser Zustand hält an bis die Netzspannung
für längere Zeit,
beispielsweise für
länger
als 30 sec. abgeschaltet wird.
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Ist
die Leuchtstofflampe 2 gezündet wird sie mit einer niedrigeren
Frequenz weiter betrieben, bei der die Vorschaltdrossel 15 als
strombegrenzendes Bauelement dient. Nimmt die Brennspannung in diesem
Zustand über
die Maßen
zu kann auch dies zu einer so hohen Spannung auf dem Kondensator
C2 führen,
dass die Z-Spannung der Z-Diode D3 deutlich überschritten wird und das RS-Flip-Flop
somit ein Abschalt signal erhält.
Auch dies führt
zum Stillsetzen des Vorschaltgeräts 1.
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Ist
an der Leuchtstofflampe 2 eine unterschiedliche Elektrodenalterung
zu verzeichnen, so dass die Brennspannung nur für eine Stromrichtung zunimmt,
ist die Gesamtzunahme der Lampenbrennspannung in der Regel so schwach,
dass die Spannungserfassungsschaltung 21 nicht anspricht.
Jedoch treten auch in diesem Betriebszustand zumindest an einem
Ende der Leuchtstofflampe hohe Temperaturen auf, die zu gefährlichen
Situationen führen könnten. Diese
werden jedoch durch die Mittelwerterfassungsschaltung 33 vermieden.
Tritt beispielsweise eine positive Abweichung des Spannungsmittelwerts
vom Idealwert Null auf, die die Z-Spannung der Z-Diode D4 übersteigt,
wird der Widerstand R4 bestromt und das angeschlossene RS-Flip-Flop
erhält ein
Abschaltsignal. Tritt hingegen eine negative mittlere Brennspannung
auf, die so groß ist,
dass die Z-Spannung der Z-Diode D6 überschritten wird, erhält der Transistor
T1 Basisstrom. Er liefert somit Strom an den Widerstand R8, so dass
das entstehende Abschaltsignal über
die Diode D7 an das RS-Flip-Flop weiter gegeben wird. Somit führen sowohl
positive als auch negative Spannungsmittelwerte an der Leuchtstofflampe
zum Abschalten des Vorschaltgeräts 1.
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Ein
Vorschaltgerät 1 ist
mit einer Mittelwerterfassungsschaltung 33 versehen, die
den Mittelwert der Lampenbrennspannung überprüft. Die Mittelwerterfassungsschaltung 33 ist
mit einer Abschalteinrichtung 27 verbunden und lässt den
Betrieb des Vorschaltgeräts 1 nur
dann zu, wenn der Mittelwert der an der Leuchtstofflampe 2 anstehenden
Brennspannung in einem vorgegebenen Spannungsfenster liegt. Dies
ist vorzugsweise symmetrisch zu Null positioniert.
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Weicht
der Wert der mittleren Brennspannung in positiver oder in negativer
Richtung von dem vorgegebenen Wert ab, d.h. ist der Betrag der mittleren
Brennspannung größer als
ein vorgegebener Wert, führt
dies zum Stillsetzen des Vorschaltgeräts 1, was gefährliche
Situationen vermeidet. Die Mittelwerterfassungsschaltung 33 kann
parallel zu einer ohnehin vorgesehenen Spannungserfassungsschaltung 21 geschaltet
sein und somit die gleiche vorhandene Abschalteinrichtung 27 nutzen.
Auch ist kein gesonderter Spannungsabgriff erforderlich. Ein spannungsfester
Spannungsteiler 22, der Teil der Sicherheitsschaltung 17 ist,
kann auch zur Bereitstellung der Eingangsspannung für die Mittelwerterfassungsschaltung 33 dienen.