DE1539537C3

DE1539537C3 - Electronic ballast for lamps operated on AC voltage with falling current-voltage characteristics

Info

Publication number: DE1539537C3
Application number: DE19661539537
Authority: DE
Inventors: Martin-Ulrich 1000 Berlin Reissland
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1966-12-20
Filing date: 1966-12-20
Publication date: 1974-01-03
Also published as: DE1539537A1; DE1539537B2

Description

Vorschaltgeräte für Lampen mit fallender Strom-Spannungs-Kennlinie dienen als Zündhilfe beim Anschalten und als Strombegrenzer beim Brennen der Lampe. Es ist bekannt, zur Lösung dieser Aufgaben Drosselspulen bzw. Transformatoren oder Kombinationen beider Bauelemente einzusetzen.Ballasts for lamps with falling current-voltage characteristics serve as an ignition aid when switching on and as a current limiter when the lamp is burning. It is known to solve these problems Use inductors or transformers or combinations of both components.

Die fallende Strom-Spannungs-Kennlinie der Entladungsstrecke solcher Lampen macht es erforderlich, die Vorschaltdrossel stets in den Lampenkreis zu legen. An der Drossel muß dann die Differenzspannung zwischen der angelegten Versorgungsspannung und der Lampenspannung abfallen. The falling current-voltage characteristic of the discharge path Such lamps make it necessary to always place the ballast in the lamp circuit to lay. The differential voltage between the applied supply voltage and the lamp voltage must then drop across the choke.

Die Drossel nimmt während des Betriebes eine relativ große Leistung auf, die zur Lichterzeugung nicht beiträgt. Diese Verlustleistung setzt sich aus den Kupferverlusten der Wicklung und den Eisenverlusten des Kernmaterials zusammen. Durch Vergrößerung des Querschnitts des Wickeldrahtes kann zwar eine Minderung dieser Verluste erreicht werden, doch ergibt sich dadurch eine Verteuerung der Drossel und zusätzlich eine störende Vergrößerung ihrer Abmaße. Die Verringerung der Kupferverluste bringt jedoch ab einem bestimmten Drahtquerschnitt anteilmäßig keine nennenswerte Verringerung der Gesamtverluste, da ab diesem Querschnitt die Eisenverluste überwiegen. Weitere Abhilfe könnte durch. besseres Kernmaterial und Verwendung dünnerer Bleche erreicht werden. Dadurch würden jedoch die Kosten unverhältnismäßig ansteigen.The throttle consumes a relatively large amount of power during operation, which is used to generate light does not contribute. This power loss is made up of the copper losses from the winding and the iron losses of the core material together. By increasing the cross section of the winding wire can Although a reduction in these losses can be achieved, this results in an increase in the cost of the Throttle and, in addition, an annoying increase in its dimensions. The reduction in copper losses However, above a certain wire cross-section, it does not proportionally reduce the Total losses, since iron losses predominate from this cross-section. Further remedy could be through. better core material and use of thinner sheets can be achieved. However, this would result in the Costs increase disproportionately.

Bei Anlagen, die nur während eines gewissen Zeitraumes innerhalb von 24 Stunden arbeiten, ist der relativ, große Leistungsverlust in der Drossel nicht als bedeutender Nachteil anzusehen. Vorschaltgeräte, die einen geringen Leistungsverlust mit höherem Schaltungsaufwand und damit verbundenen höheren Herstellungskosten bewirken, können bei solchen, nur spärlich ausgenutzten Anlagen keinen wesentlichen Vorteil bringen, da die Amortisation der Mehrkosten des Vorschaltgerätes bei den üblichen Energietarifen erst nach außerordentlich langer Zeit erfolgt. Demgegenüber kann ein höherer Herstellungspreis des Vorschaltgerätes bei gleichzeitiger Verminderung des Energiebedarfs bei ständig in Betrieb stehenden Beleuchtungsanlagen durchaus große wirtschaftliche Vorteile mit sich bringen.For systems that only last for a certain period of time work within 24 hours, the relatively large loss of power in the throttle is not to be regarded as a significant disadvantage. Ballasts that have a low power loss with higher Circuit effort and the associated higher manufacturing costs can result in those, only sparsely used systems bring no significant advantage, since the amortization of the Additional costs for the ballast with the usual energy tariffs only after an extraordinarily long time he follows. In contrast, a higher production price of the ballast can be achieved at the same time Reduction of the energy requirement in the case of lighting systems that are constantly in operation bring great economic benefits.

Solche Beleuchtungsanlagen sind unter Umständen in Straßentunneln, Bergwerken und fensterlosen Fabrikhallen oder Verkaufsräumen zu finden.Such lighting systems may be in road tunnels, mines and windowless Find factories or salesrooms.

Das Erzielen wirtschaftlicher Vorzüge dieser Art ist die Hauptaufgabe der Erfindung, die ein elektronisches Vorschaltgerät für an Wechselspannung betriebene Lampen mit fallender Strom-Spannungs-Kennlinie betrifft.Achieving economic advantages of this kind is the main object of the invention, which is an electronic one Ballast for lamps operated on AC voltage with falling current-voltage characteristics regards.

Die angestrebte Verminderung des Wirkleistungsbedarfs bei gleichbleibender Lichtmenge wird dadurch erreicht, daß zwei parallelgeschaltete, abwechselnd den Stromkreis schließende Strompfade je einen Kondensator Cl, C2 und ein steuerbares Ventil Fl, F 2 aufweisen, die jeweils innerhalb verschiedener Halbperioden der Wechselspannung einer Energiequelle E über je eine Sekundärwicklung Sl, 52 eines Transformators Tl, T2 aktiviert sind, der mit seiner Primärwicklung P dem Lampenstromkreis oder mit je einer Primärwicklung P1, P 2, zwei jeweils einen Gleichrichter Dl, D 2 aufweisenden Strompfaden zugeordnet ist, die während unterschiedlicher Halbperioden einen zusätzlichen Ladekreis für jeweils einen der Kondensatoren C1, C 2 bilden.The desired reduction in the active power requirement with the same amount of light is thereby achieved achieves that two parallel-connected, alternately closing the circuit current paths each have a capacitor Cl, C2 and a controllable valve Fl, F 2, each within different Half periods of the alternating voltage of an energy source E each via a secondary winding Sl, 52 of a transformer Tl, T2 are activated, the with its primary winding P the lamp circuit or with one primary winding P1, P 2, two each a rectifier Dl, D 2 having current paths is assigned which during different Half-periods an additional charging circuit for one of the capacitors C1, C 2 form.

In der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung treten an allen vorhandenen Bauelementen Verluste auf. Diese Verluste sind jedoch gegenüber der an der Lampe wirksam werdenden Energie außerordentlich gering. Während in den herkömmlichen Vorschaltgeräten je nach Leistungsaufnahme der Lampe etwa 20 bis 50% der Gesamtleistung verbraucht werden, ist es mit dem erfindungsgemäßen Vorschaltgerät möglich, diesen Verlust um einen Faktor größer als 10 abzusenken. Dies wird durch den vernachlässigbar kleinen Durchlaßwiderstand des steuerbaren Ventils Vl, V2 und den bei handelsüblichen Kondensatoren vorhandenen geringen Verlustfaktor erreicht. Zusätzlich tritt noch ein geringer Verlust in den bei der Aufladung der Kondensatoren Cl, C2 vom Strom durchflossenen Gleichrichtern Dl, D 2 auf.In the circuit arrangement according to the invention, losses occur in all components present. However, these losses are extremely small compared to the energy that becomes effective at the lamp. While in the conventional ballast, depending on the power consumption of the lamp, about 20 to 50% of the total power is consumed, it is possible with the ballast according to the invention to reduce this loss by a factor of greater than 10. This is achieved by the negligibly small flow resistance of the controllable valve V1, V2 and the low loss factor present in commercially available capacitors. In addition, there is a slight loss in the rectifiers D1, D 2 through which the current flows when the capacitors C1, C2 are charged.

Der zur Ableitung der Zündspannung aus dem Kondensatorstrom dienende Widerstand kann beiThe resistor used to derive the ignition voltage from the capacitor current can be used at

entsprechend hoher Spannungsübersetzung des parallelgeschalteten Transformators sehr niederohmig gegenüber dem Gleichstromwiderstand der Entladungsstrecke der Lampe ausgeführt werden.correspondingly high voltage translation of the transformer connected in parallel, very low resistance compared to the DC resistance of the discharge path of the lamp.

Eine weitere Minderung des Leistungsverlustes kann dadurch erreicht werden, daß statt des Widerstandes im Lampenstromkreis zwei Widerstände in den Ladekreisen der Kondensatoren angeordnet werden, denen je eine Primärwicklung des Zündtransformators parallel geschaltet wird. Diese Widerstände werden dann nur noch von den Ladeströmen des jeweils zugeordneten Kondensators durchflossen.A further reduction in the power loss can be achieved by replacing the resistance Two resistors are arranged in the charging circuits of the capacitors in the lamp circuit to each of which a primary winding of the ignition transformer is connected in parallel. These resistances are then only flowed through by the charging currents of the respectively assigned capacitor.

Die Funktionsweise des elektronischen Vorschaltgerätes gemäß der Erfindung wird an Hand der Fig. 1 und 2 erläutert.The functioning of the electronic ballast according to the invention is based on the Fig. 1 and 2 explained.

Fig. 1 zeigt eine Ausführung des elektronischen Vorschaltgerätes, bei dem ein gemeinsamer Widerstand in den Ladestromkreisen die zur Zündung der beiden Ventile erforderliche Spannung liefert;Fig. 1 shows an embodiment of the electronic Ballast in which a common resistance in the charging circuits is used to ignite the supplies the required voltage to both valves;

F i g. 2 zeigt eine Weiterbildung der Erfindung, in der die Zündung über zwei Widerstände erfolgt, von denen je einer im Ladekreis einer der beiden Kondensatoren angeordnet ist.F i g. 2 shows a further development of the invention in which ignition takes place via two resistors from each of which is arranged in the charging circuit of one of the two capacitors.

Nach dem Einschalten der Energiequelle E lädt sich während der ersten Halbwelle der Kondensator C1 über den Gleichrichter D1 und den Widerstand R1 auf die der maximalen Amplitude der Wechselspannung entsprechende Spitzenspannung auf. Der durch den Ladestrom am Widerstand R1 auftretende Spannungsabfall wird vom Transformator Π an die Zündelektrode des Ventils V 2 gegeben. Das Ventil V 2 kann aber nicht durchschalten, da der Kondensator C 2 noch nicht aufgeladen ist und somit keine Spannungsdifferenz zwischen seiner Kathode und Anode liegt.After the energy source E has been switched on, the capacitor C1 charges during the first half cycle via the rectifier D 1 and the resistor R 1 to the peak voltage corresponding to the maximum amplitude of the alternating voltage. The voltage drop that occurs across resistor R 1 due to the charging current is passed from transformer Π to the ignition electrode of valve V 2 . The valve V 2 cannot switch through because the capacitor C 2 is not yet charged and there is therefore no voltage difference between its cathode and anode.

In der zweiten Halbwelle wird der Kondensator C 2 über den Gleichrichter D 2 und den Widerstand Rl aufgeladen, und die jetzt vom Transformator Tl an das Ventil Vl gegebene Zündspannung schaltet das Ventil Vl durch; der Kondensator C1 ist bereits aufgeladen, und es kommt zum Stromfluß über die Entladungsstrecke des Starters St. In the second half-cycle, the capacitor C 2 is charged via the rectifier D 2 and the resistor Rl , and the ignition voltage now supplied to the valve Vl by the transformer Tl switches the valve Vl through; the capacitor C1 is already charged and a current flows through the discharge path of the starter St.

Dieser Vorgang setzt sich fort, bis sich der Bimetallkontakt des Starters St genügend erwärmt hat und schließt. Das Spiel der Auf- und Entladungen setzt sich nun über die Heizwicklungen der Elektroden fort, wodurch diese so lange erwärmt werden, bis der Starter St wieder öffnet.This process continues until the bimetal contact of the starter St has warmed up enough and closes. The play of charges and discharges now continues over the heating windings of the electrodes, which means that they are heated until the starter St opens again.

Da die Lampe zur Zündung eine erhöhte Spannung benötigt, wird das von den in Bereitschaft stehenden Ventilen Vl, V 2, dessen Kondensator Cl, C2 auf Spitzenspannung aufgeladen ist, erst dann Strom führen können, wenn die an der Lampe L anliegende Differenz zwischen Kondensatorspannung und der Spannung der Energiequelle gerade die Zündspannung überschreitet. Diese Differenz kann in dieser Schaltungsanordnung bis zum doppelten Wert der maximalen Amplitude der Spannung der Energiequelle E betragen. Die Lampe muß also beim ersten Versuch zünden, da sie eine wesentlich geringere Zündspannung hat.Since the lamp requires an increased voltage for ignition, the standby valves Vl, V 2, whose capacitor Cl, C2 is charged to peak voltage, can only conduct current when the difference between the capacitor voltage and the lamp L is present the voltage of the energy source just exceeds the ignition voltage. This difference can be up to twice the value of the maximum amplitude of the voltage of the energy source E in this circuit arrangement. The lamp must ignite on the first attempt because it has a much lower ignition voltage.

Wenn ein induktives Vorschaltgerät verwendetWhen using an inductive ballast

wird, kommt die Zündung dadurch zustande, daß beim Öffnen des Starters eine hohe kurze Spannungsspitze von der Drossel induziert wird, die sich zum Augenblickswert der Netzspannung addiert. Die Quelle, aus der die Lampe versorgt wird, muß bei Erreichen der Zündspannung in der Lage sein, ,die erforderliche Ionisierungsarbeit aufzubringen. Trotz der hohen Spannungsspitze ist diese Arbeit nur dann in der Summe aus induzierter Spannung und Netzspannung enthalten, wenn sich der Spannungsstoß in der positiven Halbwelle zur Netzspannung addiert. Wenn das nicht der Fall ist, wiederholt sich der Zündvorgang, bis diese Koinzidenz gegeben ist.the ignition comes about by the fact that when the starter is opened there is a short high voltage peak is induced by the choke, which is added to the instantaneous value of the mains voltage. the When the ignition voltage is reached, the source from which the lamp is supplied must be capable of Apply required ionization work. Despite the high voltage spike, this work is only possible included in the sum of induced voltage and mains voltage when the voltage surge occurs added in the positive half-wave to the mains voltage. If that is not the case, it repeats itself Ignition process until this coincidence is given.

In der hier vorliegenden Anordnung ist die Reihenschaltung aus Energiequelle £ und Kondensator Cl, C2 trotz der vergleichsweise geringen Spannung von nur doppelter Amplitude stets in der Lage, die Mindestionisierungsarbeit aufzubringen. Es erfolgt daher sofortige Zündung.In the arrangement shown here, the series connection of energy source £ and capacitor Cl, C2 are always in the range despite the comparatively low voltage of only double the amplitude Able to do the minimum ionization work. There is therefore immediate ignition.

Nach der Zündung erfolgt das Wechselspiel der Auf- und Entladungen über die Lampe L.After ignition, the interplay of charges and discharges takes place via the lamp L.

Bei der Entladung geht die Spannung am Kondensator Cl, C2 parallel mit der Spannung der Energiequelle E, da die Differenz zwischen dieser Spannung und Lampenspannung nach dem 2. Kirchhoffschen Gesetz gerade die Kondensatorspannung ergeben muß. Auf Grund dieses Vorgangs ist die Stromänderung des Lampenstromes für den größten Teil der Halbperiode gering. Demzufolge tritt eine niedrige Welligkeit des Lichtstromes auf.During the discharge, the voltage across the capacitor C1, C2 goes in parallel with the voltage from the energy source E, since the difference between this voltage and the lamp voltage, according to Kirchhoff's 2nd law, must give the capacitor voltage. Due to this process, the current change in the lamp current is small for most of the half-cycle. As a result, there is a low ripple in the luminous flux.

Eine Verbesserung der Lichtausbeute ?? UrH wirdAn improvement in the light output ?? UrH will

durch die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 2 erreicht. Sie enthält nicht mehr den Widerstand R1, der sowohl dem Ladekreis wie auch dem Entladekreis über die Lampe L gemeinsam ist. Der Entladestrom der Kondensatoren Cl, C2 fließt jetzt nur noch über die Lampe L zurück an die Energiequelle E. Nur die Ladeströme verursachen an den Widerständen Ria, RIb zusammen einen Verlust, der wesentlich kleiner ist als der in der Schaltung gemäß F i g. 1 an R auftretende Verlust.by the circuit arrangement according to FIG. 2 reached. It no longer contains the resistor R1, which is common to both the charging circuit and the discharging circuit via the lamp L. The discharge current of the capacitors C1, C2 now only flows back to the energy source E via the lamp L. Only the charging currents together cause a loss at the resistors Ria, RIb that is significantly smaller than that in the circuit according to FIG. 1 loss to R occurring.

Das erfindungsgemäße Vorschaltgerät ist hauptsächlich für den Einsatz in Anlagen gedacht, die auf Grund eines Dauerbetriebes eine schnelle Amortisation der gegenüber den bekannten Vorschaltgeräten entstehenden Mehrkosten bei der Herstellung ermöglichen.The ballast according to the invention is mainly intended for use in systems that Due to continuous operation, a quick amortization of the compared to the known ballasts enable the additional costs incurred during manufacture.

In vielen Fällen, wie z. B. in Fabrikationsanlagen, in denen zumeist eine große Anzahl vorwiegend induktiver Verbraucher vorhanden ist, ist mit dem Vorschaltgerät ein zusätzlicher Vorteil zu erzielen. Da das Vorschaltgerät einen großen kapazitiven Blindstrom aufnimmt, kann bei Verwendung einer großen Anzahl von mit dem erfindungsgemäßen Vorschaltgerät betriebenen Lampen in solchen Anlagen eine ansonsten erforderliche Kompensation der induktiven Komponente des vom Netz gelieferten Scheinstromes entfallen bzw. in ihrem Umfang stark gemindert werden. Dadurch entfällt die mit hohen Kosten verbundene, ansonsten notwendige Bereitstellung von Kompensationskondensatoren.In many cases, such as B. in manufacturing plants, in which mostly a large number predominantly If inductive loads are present, an additional advantage can be achieved with the ballast. Since the ballast consumes a large capacitive reactive current, when using a large number of lamps operated with the ballast according to the invention in such systems an otherwise necessary compensation of the inductive component of the one supplied by the network Apparent current is omitted or its scope is greatly reduced. This eliminates the need for high Cost-related, otherwise necessary provision of compensation capacitors.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Electronic ballast for lamps operated on AC voltage with falling current-voltage characteristic curve, characterized in that two parallel-connected, alternately closing the lamp circuit, current paths each have a capacitor (Cl, C 2) and a controllable valve (Vl, V 2) , which are activated within different half-periods of the alternating voltage of an energy source (E) each via a secondary winding (51, 52) of a transformer (Tl, T 2), which is connected to the lamp circuit with its primary winding (P) or with a primary winding (Pl, P2) is assigned two current paths each having a rectifier (D 1, D 2) which form an additional charging circuit for one of the capacitors (Cl, C2) during different half-periods.

2. Electronic ballast according to claim 1, characterized in that the primary winding (P) or the primary windings (Pl, P2) of the transformer (Tl, T2) have high resistance are executed.

3. Electronic ballast according to claim 1 and 2, characterized in that the primary winding (P) of the transformer (Tl) is arranged in parallel with a resistor (R 1) lying in the lamp circuit.

4. Electronic ballast according to claim 1 or 2, characterized in that in each case a primary winding (Pl, P 2) is arranged parallel to a resistor (Ria, RIb) lying in each case in a charging circuit of the capacitors (Cl, C2).

5. Electronic ballast according to one of claims 1 to 4, characterized in that that as a transformer (Tl, T2) a saturation reactor with secondary windings (Sl, 52) is used due to the physical Properties of the core material works largely without loss.

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