DE19609523A1 - Vorschaltanordnung für eine Entladungslampe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Leistungs­ faktor-Korrekturschaltungen und insbesondere auf eine modi­ fizierte Talfüllschaltung, die zur Lieferung eines hohen Leistungsfaktors in einer Vorschaltanordnung für eine Ent­ ladungslampe brauchbar ist.

Vorschaltanordnungen für Entladungslampen sind in den USA üblicherweise mit einem Eingangsstrom-Leistungsfak­ tor von mehr als 0,9 entwickelt worden. (Der Leistungsfak­ tor ist als das Verhältnis der an die Schaltungsanordnung gelieferten Wirkleistung zu dem Produkt der Effektivwerte von Strom und Spannung an ihrem Eingang definiert.) Der kürzliche Trend ist, Leistungsfaktoren von 0,9 und sogar 0,95 zu überschreiten. Leider ist jedoch die Forderung nach einfachen, billigen Leistungsfaktor-Korrekturschaltungen im allgemeinen im Konflikt mit der Forderung nach einem Lam­ penstrom-Crestfaktor von weniger als 1,7. (Der Lampenstrom- Crestfaktor ist das Verhältnis von Spitzen- zu Effektivwert des Lampenstroms.) Zusätzlich wird der Wirkungsgrad von ei­ ner Leuchtstofflampe kleiner, wenn der Lampenstrom größer wird. Und wenn einer Lampe ein modulierter Strom zugeführt wird, ist der Gesamtwirkungsgrad kleiner, als wenn gerade der Mittelwert des Stroms in einer unmodulierten Weise zu­ geführt wird.

Ein integrierte Zusatz- bzw. Boosterschaltung, die die oben beschriebenen Leistungsfaktor- und Lampenstrom- Crestfaktor-Erfordernisse erfüllt, ist in der US-PS 5 408 403 von L. R. Nerone und D. J. Kachmarik, einge­ reicht am 25. August 1992, beschrieben. Die integrierte Zu­ satz- bzw. Boosterschaltung wird zum Speisen einer Last mit einem bi-direktionalen Strom verwendet und weist einen Vollwellen-Gleichrichter, einen Halbbrücken-Reihenwandler und einen Zusatz- bzw. Boosterwandler auf. Der Halbbrücken- Reihenwandler enthält einen ersten Schalter, der zwischen den Busleiter und ein Brückenschalterende der Lastschaltung geschaltet ist, einen zweiten Schalter, der zwischen einen Ground- bzw. Erdleiter und das Brückenschalterende der Lastschaltung geschaltet ist, und eine Schaltsteuerschal­ tung auf zum abwechselnden Umschalten auf die ersten und zweiten Schalter. Der Zusatz- bzw. Boosterwandler enthält einen Zusatz- bzw. Booster-Kondensator, der zwischen die Bus- und Erdleiter geschaltet ist, wobei der Ladungspegel auf dem Zusatz- bzw. Booster-Kondensator die Busspannung auf dem Busleiter bestimmt, eine Zusatz- bzw. Booster-Dros­ sel, die durch ein Einweg-Ventil mit dem Zusatz- bzw. Booster-Kondensator verbunden ist, zum Entladung ihrer En­ ergie in den Zusatz- bzw. Booster-Kondensator und einen Pfad kleiner Impedanz zum periodischen Verbinden eines La­ stendes der Zusatz- bzw. Booster-Drossel mit dem Erdleiter, wodurch die Zusatz- bzw. Booster-Drossel geladen wird.

Leider sind jedoch Schaltungsanordnungen, wie die integrierte Zusatz- bzw. Boosterschaltung, nicht praktika­ bel für Niedrigkosten-Anwendungen, wie beispielsweise kom­ pakte Leuchtstofflampen mit integralen Vorschaltanordnun­ gen.

Alternativ können einfache Schaltungsanordnungen, wie beispielsweise eine Familie von Schaltungsanordnungen, die als Talfüllschaltungen bekannt sind, für Vorschaltan­ ordnungen von Leuchtstofflampen verwendet werden, aber auf Kosten eines kleinen Eingangsstrom-Leistungsfaktors oder hohen Lampenstrom-Crestfaktors. In einer Talfüllschaltung wird ein Elektrolyt-Kondensator auf die halbe Netz- bzw. Leitungsspitzenspannung aufgeladen. Der Elektrolyt-Konden­ sator wird mit dem Vorschalt-Gleichspannungsbus über eine Diode verbunden. Solange die Leitungsspannung über der Kon­ densatorspannung bleibt, speist das Netz die Vorschaltan­ ordnung. Wenn die Leitungsspannung unter die Kondensator­ spannung fällt, wird die Diode leitend, wodurch sie die Vorschaltanordnung mit Strom versorgt und die Gleichrich­ terbrückendioden in Sperrichtung vorspannt. Somit folgt die an die Vorschaltanordnung angelegte Spannung der Leitungs­ spannung von einem Winkel von 60° bis zu einem Winkel von 120° und folgt der Kondensatorspannung nahe den Nulldurch­ gängen der Leitung (als "Täler" bezeichnet).

In einer üblichen Talfüllschaltung gestattet der Leitungswinkel des Leitungsstromes, daß die Schaltungsan­ ordnung einen Leistungsfaktor hat, der gerade etwas über 0,9 liegt. Zur gleichen Zeit hat die modulierte Busspannung einen Lampenstrom-Crestfaktor zur Folge, der gerade leicht unter 1,7 liegt. Die Spielräume, mit denen die Schaltungs­ anordnung die Leistungsfaktor- und Lampenstromerfordernisse erfüllt, sind sehr eng, so daß die normalen Schwankungen von Komponentenwerten in der Produktion bewirken könnten, daß ein wesentlicher Teil der Vorschaltanordnung die Erfor­ dernisse nicht erfüllt. Deshalb besteht immer noch ein Be­ darf an einer einfachen, billigen, für einen hohen Lei­ stungsfaktor sorgenden Korrekturschaltung hoher Leistungs­ fähigkeit.

Gemäß der Erfindung weist eine Talfüllschaltung, die eine Hauptvorschaltdrossel zum Versorgen eines Elektro­ lyt-Kondensators enthält, eine zusätzliche Ladungswicklung auf der Hauptvorschaltdrossel auf zum Laden des Elektrolyt- Kondensators auf eine vorbestimmte Spannung, die den Lei­ stungsfaktor des Eingangsstroms maximiert, indem der Lei­ tungswinkel des Eingangsstroms optimiert wird. In einer Vorschaltanordnung für eine Entladungslampe verkleinert diese Talfüllschaltung den Lampenstrom-Crestfaktor, indem die Frequenz mit einer Lampenstrom-Regelschleife geregelt wird. Als eine Folge können ein Leistungsfaktor von etwa 0,95 und ein Lampenstrom-Crestfaktor von etwa 1,7 in einer einfachen und wirtschaftlichen Schaltungsanordnung erreicht werden.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 stellt schematisch eine übliche Vorschalta­ nordnung für eine Leuchtstoff-Entladungslampe dar.

Fig. 2 stellt schematisch eine einen hohen Lei­ stungsfaktor aufweisende Talfüll-Vorschaltanordnung für eine Entladungslampe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.

Fig. 3 stellt graphisch experimentelle Kurvenfor­ men für eine 25 W, 120 V, 60 Hz Vorschaltanordnung dar, die eine kompakte Leuchtstofflampe gemäß der Erfindung speist.

Die Talfüllschaltung mit hohem Leistungsfaktor ge­ mäß der Erfindung wird hier anhand einer Entladungslampen- Vorschaltanordnung beschrieben, insbesondere anhand einer Vorschaltanordnung für eine kompakte Leuchtstoff-Entla­ dungslampe. Die Vorschaltanordnung kann jedoch auch in an­ deren Anwendungen benutzt werden, beispielsweise in einer Off-Line Gleichstromversorgung.

Fig. 1 stellt eine übliche Halbbrücken-Vorschalta­ nordnung für eine Leuchtstofflampe dar. Die Vorschaltanord­ nung in Fig. 1 enthält einen Vollwellen-Gleichrichter 10, der mit Dioden D1-D4 gezeigt ist, zum Gleichrichten einer Wechselspannung V_ac, die von einer Quelle 12 geliefert wird. Ein Kondensator C₁, üblicherweise ein Elektrolytkon­ densator, ist dem Gleichrichter-Ausgang parallel geschal­ tet, wodurch eine gleichgerichtete, gefilterte Spannung V_dc an eine Halbbrückenverbindung von Schaltvorrichtungen Q₁ und Q₂ geliefert wird. Eine Gate-Treiberschaltung 14 ist vorgesehen, um die Schaltvorrichtungen Q₁ und Q₂ abwech­ selnd umzuschalten, um für einen bidirektionalen Stromfluß durch eine Schwinglastschaltung zu sorgen, die eine Reihen­ schaltung aus einer Schwingdrossel L₁, einem Schwingkonden­ sator C₂ und einem Gleichstrom-Sperrkondensator C₃ enthält. Eine Last 16, die als eine Leuchtstoff-Entladungslampe dar­ gestellt ist, ist dem Schwingkondensator C₂ parallel ge­ schaltet.

Ein Nachteil der in Fig. 1 gezeigten Schaltung be­ steht darin, daß sie einen relativ hohen Anteil von Fre­ quenz-Harmonischen in den Eingangsstrom eingeführt, was einen kleinen Leistungsfaktor zur Folge hat.

Die erfindungsgemäße Vorschaltanordnung mit hohem Leistungsfaktor, die in Fig. 2 dargestellt ist, enthält eine Talfüllschaltung, die zur Verwendung in einer Entla­ dungslampen-Vorschaltanordnung geeignet ist, beispielsweise in einer Vorschaltanordnung für eine kompakte Leuchtstoff- Entladungslampe. Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 ent­ hält einen Eingangs-Brückengleichrichter 10 und einen Ener­ giespeicherkondensator C₁, der vorzugsweise ein Elektrolyt- Kondensator ist und der durch eine Diode D₆ daran gehindert ist, sich direkt aus der Leitung aufzuladen. Ein Hochfre­ quenz-Filterkondensator C₄ ist der Reihenschaltung aus dem Kondensator C₁ und der Diode D₆ parallel geschaltet. Der Halbbrücken-Schaltwechselrichter, der beispielsweise MOSFET′s Q₁ und Q₂ enthält, ist dem Gleichspannungsbus paral­ lel geschaltet. Der Halbbrücken-Wechselrichter ist ledig­ lich als Beispiel in der Weise dargestellt, daß er durch einen selbstschwingenden Leistungs-MOSFET-Gatetreiber des Typs IR2155 gespeist wird, der von International Rectifier Corporation gefertigt wird. Eine hochfrequente Rechteck­ welle, die an dem Halbbrücken-Mittelpunkt a erzeugt wird, wird an eine Reihenschwingschaltung angelegt, die eine Drossel T1-A und den Kondensator C2 enthält. Die kompakte Leuchtstofflampe ist dem Schwingkondensator C2 parallel ge­ schaltet. Die Schwingdrossel T1-A arbeitet als die Haupt­ vorschaltdrossel. Der Kondensator C3 ist ein Gleichspan­ nungs-Sperrkondensator.

Im Betrieb wird die Schaltfrequenz der Vorrichtun­ gen Q1 und Q2 über der Resonanzfrequenz gehalten, so daß die MOSFET′s Q1 und Q2 in einer im wesentlichen verlustlo­ sen Weise für einen verbesserten Wirkungsgrad, kleinere Spannungsbeanspruchungen und kleinere elektromagnetische Interferenz (EMI) geschaltet werden.

In vorteilhafter Weise ist die Talfüll-Schaltungs­ topologie gemäß der Erfindung einfach, wirtschaftlich und kann bei einem Leistungsfaktor von etwa 0,95 und einem Lam­ penstrom-Crestfaktor von etwa 1,7 arbeiten. Wie bei allen Talfüllschaltungen besteht das Grundprinzip darin, einen Elektrolyt-Kondensator C1 auf einen Teil der Netz- bzw. Leitungsspitzenspannung aufzuladen. Gemäß der Erfindung wird jedoch der Kondensator C1 auf eine vorbestimmte Span­ nung aufgeladen, die den Leistungsfaktor des Eingangsstrom maximiert, indem der Leitungswinkel des Eingangsstroms op­ timiert wird. Zu diesem Zweck ist eine zusätzliche Ladungs­ wicklung auf der Hochfrequenz-Vorschaltdrossel vorgesehen, um den Talfüll-Kondensator C1 auf eine Spitzenladung aufzu­ laden. Um den Leistungsfaktor zu maximieren, beträgt der optimale Leitungswinkel des Eingangsstroms 135° (pro Lei­ tungshalbperiode), wie es in "Characteristics of Load Reso­ nant Converters Operated in a High Power Factor Mode" von M. J. Schutten, R. L. Steigerwald und M. H. Kheraluwala, IEEE Transactions on Power Electronics, April 1992, Band 7, Nr. 2, Seiten 304 bis 314, berechnet ist, was einen maximalen Leistungsfaktor von 0,96 zur Folge hat. Das Windungsver­ hältnis der Ladungswicklung zu der Hauptwicklung der Vor­ schaltdrossel ist so gewählt, daß der Kondensator bis zu einer Spitzenspannung aufgeladen wird, die durch den fol­ genden Ausdruck gegeben ist.

VC1_sp = VLeit_sp × sin 22,5° = 0,38V Leit_sp

Unter diesen Umständen ist die doppelte Netz- bzw. Leitungsfrequenzmodulation der Busspannung recht eng, und eine Steuerung würde das Lampenstrom-Crestfaktor-Erforder­ nis nicht erfüllen.

Deshalb wird die Vorschalt-Lastschaltung (enthaltend die Lampe, den parallelen Kondensator C2 und die Vorschaltdrossel T1-A) so gewählt, daß sie in einem Mo­ dus arbeitet, bei dem eine Frequenzregelung verwendet wer­ den kann. Die Frequenz der Vorschaltanordnung wird durch eine Stromrückführungsschleife geregelt, die die Modulation (Amplitudenänderung) des Lampenstroms minimiert, wodurch sichergestellt wird, daß das Lampenstrom-Crestfaktor-Erfor­ dernis erfüllt wird. Da dies mit einer aktiven Rückfüh­ rungsschleife gemacht wird, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, ist der Lampenstrom-Crestfaktor nicht empfindlich gegenüber Leitungsspannungsänderungen oder Lampen- und Komponentenab­ weichungen.

Im Betrieb wird der Speicherkondensator C1 auf eine Spitzenladung aufgeladen durch eine Hilfswicklung T1-B, die auf die Schwingdrossel T1-A gewickelt ist. Das Windungsver­ hältnis des Transformators T1 wird optimiert, um die Span­ nung über dem Kondensator C1 auf einem Wert zu halten, der die Leitungszeit des Brückengleichrichters optimiert und somit den Netzleistungsfaktor maximiert. Da der Gleichspan­ nungsbus eine wesentliche doppelte Netzfrequenzmodulation hat, muß die Schaltfrequenz des Wechselrichters über der Leitungshalbperiode moduliert bzw. gesteuert werden, um den Lampenstrom-Crestfaktor innerhalb der erforderlichen Gren­ zen zu halten.

Die dargestellte Lampenstrom-Rückführungsanordnung enthält einen Stromabtastwiderstand Rs zum Abtasten des Lampenstromes. Der gleichgerichtete und gefilterte Lampen­ strom moduliert bzw. steuert den Kanalwiderstand von einem JFET Q3, der seinerseits die Frequenz des Ausgangssignals des Front-End-Oszillators des 1R2155 Gate-Treibers steuert, wie es an anderer Stelle angegeben ist (US-Patentanmeldung 08/386 570, eingereicht am 10.02.1995, der Erfinder S-A. El-Hamamsy und M. H. Kheraluwala). Dabei kann ein ein festes Tastverhältnis und eine variable Frequenz aufweisender Rechteckwellengenerator einen astabilen Multivibrator (Kippschaltung) aufweisen, der zwei Widerstände enthält, die zwischen einem Versorgungsspannungsanschluß und einem Kondensator in Reihe geschaltet sind, wie beispielsweise einem Typ, der mit einem 555 Timer implementiert ist, und der ferner einen elektronisch steuerbaren Stellwiderstand enthält, wie beispielsweise einen JFET oder einen MOSFET, der zwischen den Kondensator und Erde (Ground) geschaltet ist. (Das Front-End von einem IR2155 Gate-Treiber ist ein programmierbarer Oszillator ähnlich einem 555 Timer). In einer stromgesteuerten Version, wo der abgetastete Strom ein Wechselstrom ist, ist die Anode von einer Diode mit dem Gate von dem JFET verbunden, und die Kathode der Diode ist mit einem Abtastwiderstand verbunden, um den Strom in einer damit verbundenen Last abzutasten. Der Multivibrator bzw. die Kippstufe erzeugt eine Rampen- bzw. Sägezahnspannung über dem Kondensator, die sich zwischen vorbestimmten An­ teilen der Versorgungsspannung mit einem festen Tastver­ hältnis ändert. Der JFET hat einen Kanalwiderstand, der sich mit der zugeführten Eingangsspannung ändert. Der Kon­ densator des Multivibrators lädt und entlädt sich über die Reihenschaltung der Widerstände und des JFET Kanalwider­ standes mit Lade- und Entladezeiten, die sich mit der Ein­ gangsspannung des JFET ändern.

Fig. 3 zeigt die Leitungsspannung VLeit, die Lam­ penspannung VLampe, den Leitungsstrom ILeit und den Lampen­ strom ILampe für eine erfindungsgemäße Talfüllschaltung, die dafür ausgelegt ist, eine kompakte 25 W Leuchtstofflampe aus einer 120 V, 60 Hz Versorgung zu speisen. Der Gesamt­ klirrfaktor (THD) war optimiert bei 26% mit einem Lei­ stungsfaktor von 0,96. Der Lampenstrom-Crestfaktor wurde in dem Bereich von 1,7 bis 1,75 gemessen. Der Gesamtwirkungs­ grad wurde mit 89% gemessen.

Claims (6)

1. Vorschaltanordnung für eine Entladungslampe, enthaltend:
einen Gleichrichter (10) zur Aufnahme einer Netz­ wechselspannung und zur Lieferung einer gleichgerichteten Spannung auf einem Gleichspannungsbus,
eine Halbbrückenschaltung aus Schaltvorrichtungen (Q1, Q2), die über den Gleichspannungsbus geschaltet sind,
eine Energiespeicher-Kapazität (C1), die durch eine Diode (D6) mit dem Gleichspannungsbus verbunden ist,
eine Schwingausgangsschaltung mit einer Vorschalt- Drossel (T1-A), die mit einem Verbindungspunkt (a) zwischen den Schaltvorrichtungen (Q1, Q2) der Halbbrücke und einer Schwing-Kapazität (C2) verbunden ist, wobei die Lampe der Schwing-Kapazität (C2) parallel geschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschalt-Drossel
eine zusätzliche Wicklung (T1-B) darauf zum Speisen der En­ ergiespeicher-Kapazität (C1) aufweist, wobei die zusätzli­ che Wicklung ein derartiges Windungsverhältnis in bezug auf die Windungen der Drossel hat, daß die Spannung über der Energiespeicher-Kapazität (C1) auf weniger als der halben Spitzennetzspannung gehalten ist, und
eine Stromrückführungsschleife eine Frequenzrege­ lung aufweist, die den Strom durch die Lampe im wesentli­ chen konstant hält.

2. Vorschaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung über der Energiespeicher- Kapazität (C1) auf etwa der 0,38-fachen Spitzennetzspannung gehalten ist.

3. Vorschaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrückführungsschleife einen Rechteckwellengenerator mit einem festen Tastverhältnis und einer variablen Frequenz aufweist.

4. Vorschaltanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ein festes Tastverhältnis und eine variable Frequenz aufweisende Rechteckwellengenerator einen stromgesteuerten Rechteckwellen-Generator aufweist, der einen Stromsensor (Rs) zum Abtasten des Stroms durch die Lampe enthält.

5. Vorschaltanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsensor einen Stromabtastwider­ stand aufweist.

6. Vorschaltanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsensor einen Stromwandler auf­ weist.