DE19619580A1 - Sicherheitsabschaltung bei asymmetrischer Lampenleistung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Betriebs­ schaltung für Entladungslampen, insbesondere Niederdruck­ entladungslampen. Hier und im folgenden sowie in den An­ sprüchen sind dabei auch Betriebsschaltungen für mehrere Lampen gemeint, also Betriebsschaltungen für mindestens eine Lampe. Entladungslampen werden mit Wechselspannungs­ leistung betrieben, gewöhnlich mit einer Hochfrequenzlei­ stung. Dabei wird zur Gleichstromentkopplung ein mit der Lampe in Reihe geschalteter Kopplungskondensator verwendet. Hinsichtlich des grundsätzlichen Aufbaus solcher Betriebs­ schaltungen wird verwiesen auf C. H. Sturm und E. Klein "Betriebsgeräte und Schaltungen für elektrische Lampen", 6. Auflage 1992, Siemens AG.

Bei der Zündung und beim Betrieb einer Entladungslampe kön­ nen verschiedene Störungszustände auftreten, die zur Zer­ störung der Betriebsschaltung und zu Sicherheitsrisiken für die Umgebung führen können. Es wird dementsprechend ein Schaltungsaufbau angestrebt, der solche Störungszustände selbständig erfaßt und zu einer Abschaltung der Lampe führt.

Bekannt sind Schaltungen mit Sicherheitsabschalteinrichtun­ gen, die auf die Lampenspannung ansprechen, also die an der Entladungsstrecke der Lampe abfallende Spannung. Die Erfin­ dung geht dementsprechend aus von einer Schaltung zum Wech­ selspannungsbetrieb einer Entladungslampe über einen mit der Lampe zur Gleichstromtrennung in Reihe geschalteten Kopplungskondensator mit einer Sicherheitsabschalteinrich­ tung, wie sie bei Vorschaltgeräten OSRAM QTEC bekannt sind.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, die Sicherheits- und Betriebseigenschaften der Lampe mit ihrer Betriebsschaltung weiter zu verbessern.

Das Problem wird gelöst durch eine Schaltung der genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Sicherheits­ abschalteinrichtung auf eine Gleichspannung an dem Kopp­ lungskondensator durch eine durch die Lampe fließende Gleichstromkomponente anspricht.

Eine solche Gleichstromkomponente tritt bei asymmetrischer Lampenleistung, im Extremfall bei Ausfall eines Lampenemit­ ters, auf und führt infolge der Reihenschaltung von Lampe und Kopplungskondensator zu einer statischen Aufladung des Kopplungskondensators. Es hat sich gezeigt, daß die be­ schriebene Lampenasymmetrie ein ernstzunehmendes Problem darstellt. So führt sie - ausgehend von einem zwar nicht obligatorischen, aber heute üblichen überresonanten Betrieb der Schaltung - zu einer Verzerrung der Strom-über-Zeit- Schwingung zu einem Stromvorzeichen hin und damit zu einem quasi unterresonanten Verhalten mit Spitzen im Strom bzw. Sprüngen in seiner ersten Zeitableitung. Die Folge sind Hochfrequenzstörungen der Umgebung und Einschaltverluste im Frequenzgenerator sowie möglicherweise eine Zerstörung der Schaltung und Gefährdung der Umgebung.

Wird nun die Spannung an dem Kopplungskondensator in der erfindungsgemäßen Weise überwacht, können die beschriebenen Schwierigkeiten überwunden werden. Die Erfindung kommt also sowohl der Sicherheit, als auch Wirtschaftlichkeit, als auch elektromagnetischen Verträglichkeit der Lampe mit ih­ rer Betriebsschaltung zugute.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird durch eine bestimmte Gleichspannung an dem Kopplungskonden­ sator eine Schwellenwertschaltung der Sicherheitsabschalt­ einrichtung getriggert. Vorzugsweise spricht dieselbe Schwellenwertschaltung auch auf eine überhöhte Zwischen­ kreisspannung der Betriebsschaltung an.

Nach einer weiteren Fortbildung wird dies realisiert, indem ein über eine Spannungsteilerschaltung erhaltener Bruchteil der Zwischenkreisspannung an der erwähnten Schwellenwert­ schaltung anliegt, wobei der Kopplungskondensator einem Teil der Spannungsteilerschaltung parallelgeschaltet ist. So kann die Gleichspannung am Kopplungskondensator die Spannungen an der Spannungsteilerschaltung beeinflussen und somit wie die Zwischenkreisspannung auch die Schwellenwert­ schaltung triggern.

Nach einer besonderen Ausbildung wird über dieselbe genann­ te Schwellenwertschaltung auch die Lampenspannung über­ wacht, d. h. die Schwellenwertschaltung wird auch durch eine überhöhte Lampenspannung getriggert. Dies kann geschehen, indem ein Bruchteil der Lampenspannung an einen Teil der Spannungsteilerschaltung durch eine Schaltung angelegt wird, die so ausgelegt ist, daß sich der Lampenspannungs­ bruchteil dem angelegten Bruchteil der Zwischenkreisspan­ nung überlagert. Ein Beispiel wird in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele gegeben.

Für den Fall, daß der Schaltungsaufbau zur Überwachung der Gleichspannung am Kopplungskondensator nur in einer Polari­ tät zur Abschaltung führt, kann ein Anschlußpunkt der Span­ nungsteilerschaltung über eine Triggerdiode mit einem ge­ eigneten Punkt der Schwellenwertschaltung verbunden werden, und zwar so, daß die Schwellenwertschaltung auf beide Pola­ ritäten der Gleichspannung anspricht. Ein Beispiel hierfür wird wiederum in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele gegeben.

Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung sieht vor, den Anschlußpunkt der Triggerdiode oder einen potenti­ almäßig benachbarten Anschlußpunkt über eine Lampenwendel mit der Spannungsteilerschaltung zu verbinden und zwischen diesen Anschlußpunkt der Triggerdiode oder einen potential­ mäßig benachbarten Anschlußpunkt und einen der Pole der Zwischenkreisspannung als Basispotential der Sicherheits­ abschalteinrichtung oder ein anderes geeignetes Basispoten­ tial einen Widerstand zu schalten. Dieser Widerstand ist so bemessen, daß er bei Entnahme der Lampe aus ihrer Fassung oder bei Bruch der Lampenwendel das Potential des genannten Anschlußpunktes auf das Potential oder soweit in Richtung auf das Potential des Pols zieht, so daß die Schwellenwert­ schaltung über die Triggerdiode getriggert wird.

Nach einer einfachen und vorteilhaften Lösungsmöglichkeit ist die Schwellenwertschaltung eine bistabile Kippschal­ tung, etwa eine Thyristorersatzschaltung mit zwei Transi­ storen.

Häufig wird eine Entladungslampe über einen Gegentaktfre­ quenzgenerator mit zwei Transistoren betrieben. Dann kann die Sicherheitsabschalteinrichtung so aufgebaut sein, daß sie nach ihrem Ansprechen über einen Abschalttransistor die Ansteuerung eines der beiden Transistoren unterdrückt, etwa die Basis eines Bipolartransistors niederohmig mit Masse verbindet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand dreier konkreter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren be­ schrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 das erste Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 das zweite Ausführungsbeispiel und

Fig. 3 das dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1 ist in dem doppelt linierten Rahmen ein oberer Teil RE1, RE2 einer Spannungsteilerschaltung RE1, RE2, R1 gezeigt, wobei dem Widerstand RE1 ein Kopplungskondensator C3 mit im Störungsfall daran abfallender Gleichspannung UC3 parallelgeschaltet ist. Dabei ist der Wert von RE1 deutlich größer als der Wechselstromwiderstand von C3 bei der Be­ triebsfrequenz der Lampe.

Zwischen RE1 und RE2 liegt ferner eine Wendel einer Nieder­ druckentladungslampe in der Spannungsteilerschaltung. Um Gleichströme durch die Lampe zu vermeiden, wird die Lampen­ wendel in die Potentialmitte der Spannungsteilerschaltung gelegt, weil die andere Lampenwendel gleichspannungsmäßig im allgemeinen auch in der Potentialmitte der Zwischen­ kreisspannung liegt.

Die über dem Widerstand R1 abfallende Spannung Umeß wird bei Überschreiten einer Schwellenwertspannung UZ einer Ze­ nerdiode DZ1 einem Anschlußpunkt einer bistabilen Kipp­ schaltung in Form einer Thyristorersatzschaltung aus zwei Bipolartransistoren zugeführt. Diese Kippschaltung hat ei­ nen stabilen Zustand, in dem beide Transistoren leiten, und einen weiteren stabilen Zustand, in dem beide Transistoren nicht leiten.

Im leitenden Zustand wird über die eingezeichnete Ausgangs­ signalleitung die Basis eines nicht gezeigten npn-Abschalt­ transistors so angesteuert, daß dieser leitend wird und die Basis eines ebenfalls nicht gezeigten Transistors eines die Lampe betreibenden Gegentaktfrequenzgenerators niederohmig gegen Masse kurzschließt. Aus diesem Gegentaktfrequenzgene­ rator wird die Kippschaltung an der Emitterseite des oberen Transistors in geeigneter Weise mit Spannung versorgt, so daß sich eine eigene Spannungsversorgung erübrigt.

Hinsichtlich der genannten und anderer Einzelheiten der inneren und äußeren Verschaltung der Kippschaltung (mit der restlichen Betriebsschaltung der Lampe) wird ausdrücklich Bezug genommen auf die Offenbarung der Anmeldung DE 195 05 459.8 der Anmelderin. Insbesondere wird dort die Energie für den Basisstrom des Abschalttransistors durch einen Startkondensator zum Starten des Frequenzgenerators gebil­ det. Ferner liegt die Kollektor-Emitter-Strecke des Ab­ schalttransistors direkt zwischen der Basis eines der Tran­ sistoren des Frequenzgenerators und Masse.

An die beschriebene Spannungsteilerschaltung C3, RE1, RE2, R1 ist - wie in Fig. 1 links angedeutet - die Zwischen­ kreisspannung E eines nicht gezeigten großen Glättungskon­ densators vor dem Gegentaktfrequenzgenerator angelegt.

An eine weitere, nicht näher bezeichnete Spannungsteiler­ schaltung ist die links eingezeichnete Lampenspannung UL angelegt, die in beiden Halbwellen gleichmäßig herabgesetzt und durch die Dioden D1 und D2 und den Kondensator C2 am Kondensator C1 addiert wird. Eine Asymmetrie der Lampen­ spannung kann hier also nicht erfaßt werden.

Diese Spannung wird in einer dem Fachmann bekannten Weise in den Meßwiderstand R1 eingekoppelt, wobei sie sich dem aus der Spannungsteilerschaltung C3, RE1, RE2, R1 resultie­ renden Bruchteil der Zwischenkreisspannung E überlagert. Anschaulich gesagt findet in R1 eine Addition der auf die Spannungen E und UL zurückgehenden Ströme mit entsprechen­ der Überlagerung der an R1 abfallenden Spannungen statt.

Es wird deutlich, daß die in Fig. 1 gezeigte Schaltung mit einer einzigen Schwellenwertschaltung drei verschiedene Betriebsgrößen der Betriebsschaltung überwachen und damit in umfassender Weise Störungszustände erfassen und in eine Abschaltung des Lampenbetriebs umsetzen kann.

Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung entspricht der soeben be­ schriebenen bis auf die doppelt eingerahmte zusätzliche Triggerdiode D3 zwischen der Basis des oberen Transistors der Kippschaltung und einem Anschlußpunkt zwischen dem Wi­ derstand RE2 und dem Kopplungskondensator C3 bzw. hier der Lampenwendel.

Die Triggerdiode hat ihren Grund darin, daß die Spannungs­ teilerschaltung nur eine der Zwischenkreisspannung E ent­ gegengesetzte Aufladung bzw. Spannung UC3 am Kopplungskon­ densator C3 in ein Triggersignal durch die Zenerdiode DZ1 umsetzt, weil nur dann die Meßspannung Umeß vergrößert wird. Bei dazu entgegengesetzter Aufladung des Kopplungs­ kondensators C3 sinkt das Potential am oberen Anschlußpunkt der Triggerdiode D3, so daß diese dann das Potential an der Basis des oberen Kippschaltungstransistors herunterziehen und damit die Kippschaltung in den leitenden Zustand trig­ gern kann.

Schließlich zeigt Fig. 3 die gleiche Schaltung wie Fig. 2, jedoch zusätzlich mit einem zwischen den oberen Anschluß­ punkt der Triggerdiode D3 und den unteren Pol der Zwischen­ kreisspannung E geschalteten Widerstand R3, hier ein "Pull­ down-Widerstand". Dieser ist so bemessen, daß er bei nicht vorhandener Lampe, Wendelbruch oder ähnlichem das Potential seines oberen Anschlußpunktes in Richtung auf das Potential des unteren Pols der Zwischenkreisspannung E zieht, d. h. er ist deutlich niederohmiger als RE2. Dadurch wird die Kipp­ schaltung über die Triggerdiode D3 auch bei Wendelbruch oder Lampenentnahme getriggert. Da die Lampenwendel im Potentialmittelpunkt der Spannungsteilerschaltung C3, RE1, RE2, R1 bzw. der Zwischenkreisspannung E liegen muß, ist wegen R3 eine Anpassung der anderen Widerstände der Span­ nungsteilerschaltung notwendig, und zwar ungefähr gemäß

RE1 = ((RE2 + Rmeß) R3)/(RE2 + Rmeß + R3).

Die zuletzt beschriebene Funktion der Schaltung aus Fig. 3 ist insbesondere praktisch, wenn eine Lampe, etwa in einer größeren Beleuchtungsanlage mit vielen Lampen, herausgenom­ men werden soll. Dann erübrigt sich das Ausschalten der ganzen Beleuchtungsanlage, so daß schneller und bei Normal­ beleuchtung gearbeitet werden kann.

Im folgenden werden ergänzend einige typische Werte für einige der beschriebenen Bauteile der Ausführungsbeispiele angegeben: Die Widerstände im UL-Spannungsteiler liegen im Bereich einiger 100 Kiloohm und hängen von der Lampendimen­ sionierung ab. C2 beträgt einige Pikofarad bei ausreichen­ der Spannungsfestigkeit (E/2). Die Spannungsfestigkeit der Dioden D1 und D2 entspricht der höchsten in der Sicher­ heitsabschaltung vorkommenden Spannung, nämlich UZ plus 10% Sicherheitsabstand. C1 liegt im Mikrofaradbereich; es sind große Zeitkonstanten erforderlich zur Abdämpfung des Zünd­ impulses. Die Zenerspannung UZ liegt zwischen 16 und 30 Volt. Der Wert des Kopplungskondensators C3 liegt im Be­ reich von 22 bis 47 Nanofarad und hängt von der Lampendi­ mensionierung ab. Also z. B.:
RE1 = 330 Kiloohm
RE2 = 1,2 Megaohm
R1 = 180 Kiloohm
R3 = 470 Kiloohm
D3 sperrt mindestens E/2
C1 = 2,2 Mikrofarad
C2 = 680 Pikofarad.

Vorsorglich beansprucht die Anmelderin hiermit von der übrigen Offenbarung unabhängigen Schutz für die Erfindung, bei einer Sicherheitsabschalteinrichtung durch einen Wider­ stand zwischen einem Anschlußpunkt, der durch die Lampen­ wendel potentialmäßig beeinflußt wird, und einem geeigneten Basispotential das Potential des Anschlußpunktes bei nicht vorhandener Stromleitung durch die Wendel derart zu ver­ schieben, daß die Sicherheitsabschalteinrichtung anspricht.

Claims (11)

1. Schaltung zum Wechselspannungsbetrieb einer Entladungs­ lampe über einen mit der Lampe zur Gleichstromtrennung in Reihe geschalteten Kopplungskondensator (C3) mit einer Si­ cherheitsabschalteinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitsabschalteinrichtung auf eine Gleichspan­ nung (UC3) an dem Kopplungskondensator (C3) durch eine durch die Lampe fließende Gleichstromkomponente anspricht.

2. Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Sicherheitsab­ schalteinrichtung eine durch eine bestimmte Gleichspannung (UC3) an dem Kopplungskondensator (C3) getriggerte Schwel­ lenwertschaltung aufweist.

3. Schaltung nach Anspruch 2, bei der die Schwellenwert­ schaltung auch durch eine überhöhte Zwischenkreisspannung (E) getriggert wird.

4. Schaltung nach Anspruch 3, bei der ein über eine Span­ nungsteilerschaltung (RE1, RE2, R1) erhaltener Bruchteil der Zwischenkreisspannung (E) an der Schwellenwertschaltung anliegt, wobei der Kopplungskondensator (C3) einem Teil der Spannungsteilerschaltung (RE1, RE2, R1) parallelgeschaltet ist.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der die Schwellenwertschaltung auch durch eine überhöhte Lampen­ spannung (UL) getriggert wird.

6. Schaltung nach Anspruch 4 und 5, bei der ein Bruchteil der Lampenspannung (UL) an einen Teil der Spannungsteiler­ schaltung (RE1, RE2, R1) derart angelegt wird, daß er sich dem angelegten Bruchteil der Zwischenkreisspannung (E) überlagert.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der ein Anschlußpunkt der Spannungsteilerschaltung (RE1, RE2, R1) derart über eine Triggerdiode (D3) mit der Schwellenwert­ schaltung verbunden ist, daß die Schwellenwertschaltung durch Gleichspannungen (UC3) beider Polaritäten am Kopplungskondensator (C3) getriggert wird.

8. Schaltung nach Anspruch 7, bei der der Anschlußpunkt der Triggerdiode (D3) oder ein potentialmäßig benachbarter An­ schlußpunkt über eine Lampenwendel mit der Spannungstei­ lerschaltung verbunden ist und zwischen den Anschlußpunkt der Triggerdiode (D3) oder einen potentialmäßig benachbar­ ten Anschlußpunkt und einen der Pole der Zwischenkreisspan­ nung (E) oder ein anderes geeignetes Basispotential ein Widerstand (R3) geschaltet ist, der dazu ausgelegt ist, bei Entnahme der Lampe oder Lampenwendelbruch das Potential des Anschlußpunktes in Richtung auf das Potential des Pols oder auf das Basispotential zu ziehen, um über die Triggerdiode (D3) die Schwellenwertschaltung zu triggern.

9. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei der die Schwellenwertschaltung eine bistabile Kippschaltung ist.

10. Schaltung nach Anspruch 9, bei der die bistabile Kipp­ schaltung eine Thyristorersatzschaltung mit zwei Transisto­ ren ist.

11. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Lampe über einen Gegentaktfrequenzgenerator mit zwei Transistoren betrieben wird und die Sicherheitsab­ schalteinrichtung nach ihrem Ansprechen über einen Ab­ schalttransistor die Ansteuerung eines der beiden Transi­ storen unterdrückt.