DE19757468A1

DE19757468A1 - Vorschaltanordnung für eine Leuchtstofflampe mit Stromrückführung

Info

Publication number: DE19757468A1
Application number: DE19757468A
Authority: DE
Inventors: Rayette Ann Fisher; David Joseph Kachmarik; William Newell Schultz; Robert James Thomas
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-12-30
Filing date: 1997-12-23
Publication date: 1998-07-02
Also published as: US5889373A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Vorschaltanordnun gen für Leuchtstofflampen und insbesondere auf eine derar tige Vorschaltanordnung für Leuchtstofflampen, die eine einzige Magnetkomponente sowohl für eine Tank- bzw. Schwingkreisinduktivität als auch Stromrückführung verwen det.

In selbstschwingenden Vorschaltanordnungen wird ein Signal von einem LC Schwingkreis zu der Treiberschaltung von zwei Halbbrückenschaltern rückgeführt. Zwei übliche Klassen von selbstschwingenden Schaltungen sind diejenigen, die eine Probe (Sample) von der Spannung einer Tank- bzw. Schwing kreisdrossel rückführen, und diejenigen, die eine Probe (Sample) von dem LC Schwingkreisstrom rückführen. Vorschal tanordnungen der Spannungsrückführungsklasse haben den Vor teil der einfachen Konstruktion und erfordern nur eine ein zige magnetische Komponente. Sekundärwicklungen sind auf den Ferrit- oder einen anderen Magnetkern gewickelt, der dazu verwendet wird, die Schwingkreisdrossel so aufzubauen, daß sie als Transformatorwicklungen arbeiten und die Dros selspannung an die Treiberschaltungen der Schalter der Vor schaltanordnung liefern. Nachteilig ist hierbei jedoch, daß diese Spannungsrückführungsschaltungen unter einer schlech ten Regelung bzw. Stabilisierung der Eingangsspannung lei den, wenn sich entweder der Lampenwiderstand oder die Lei tungseingangsspannung ändert.

Vorschaltanordnungen der Stromrückführungsklasse weisen eine viel bessere Eingangsspannungsstabilisierung auf. In solchen Stromrückführungschaltungen wird ein Stromtransfor mator in den LC Schwingkreis eingefügt, um eine Probe (Sample) des Schwingkreisstroms zur Treiberschaltung der Vorschaltanordnung rückzuführen. Der Transformator ist auf einen Magnetkern getrennt von dem Kern gewickelt, der von der Schwingkreisdrossel verwendet wird. Nachteilig ist hierbei jedoch, daß Stromrückführungs-Schaltungsanordnun gen, da sie zwei magnetische Komponenten erfordern, an ei ner erhöhten Schaltungs- und auch Layout-Komplexität und zusätzlichen Kosten leiden.

Es würde deshalb wünschenswert sein, eine Leuchtstofflam pen-Vorschaltanordnung zu schaffen, die die Möglichkeit ei ner Stromrückführung unter Verwendung einer einzigen magne tischen Komponente erreicht, um sowohl als Schwingkreis drossel als auch Stromrückführungs-Transformator zu arbei ten.

Erfindungsgemäß enthält eine Leuchtstofflampen-Vorschaltan ordnung eine einzige Magnetkomponente, d. h. einen Transfor mator, um sowohl eine Schwingkreisinduktivität zu bilden als auch für eine Stromrückführung zu der Treiberschaltung der Vorschaltanordnung zu sorgen. Der Transformator weist einen "EE"-Kern mit Drosselwicklungen auf den Mittelschen keln und Steuerwicklungen auf einem der äußeren Schenkel auf. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Mit telschenkel mit einem Spalt versehen, um eine Sättigung des Magnetkerns zu vermeiden und für einen gewünschten Wert der Schwingkreisinduktivität zu sorgen. Der in dem Kern er zeugte Fluß teilt sich zwischen den zwei äußeren Schenkeln des Kerns auf. Auf diese Weise ist die Kopplung zwischen den mittleren und äußeren Schenkeln in signifikanter Weise unter eins verkleinert, wodurch der Transformatorbetrieb von einem Spannungstransformator in Richtung auf einen Stromtransformator verschoben wird. Die Kopplung kann wei ter eingestellt werden, indem ein Spalt in dem einen oder anderen der äußeren Schenkel vorgesehen wird.

Die Erfindung wird nun weiteren Merkmalen und Vorteilen an hand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispie len näher erläutert.

Fig. 1 stellt schematisch eine vereinfachte, übliche, selbstschwingende Vorschaltanordnung mit Drosselspannungs rückführung dar.

Fig. 2 stellt schematisch eine vereinfachte, übliche, selbstschwingende Vorschaltanordnung mit Stromrückführung in dem LC Schwingkreis dar.

Fig. 3 stellt eine lose gekoppelte Transformatorstruktur dar, die in einer selbstschwingenden Vorschaltanordnung ge mäß der Erfindung verwendbar ist.

Fig. 4 stellt eine Magnetbahnverlängerung und eine Verdün nung des Sekundärschenkels dar, um die Reluktanz des Sekun därschenkels zu vergrößern.

Fig. 5 stellt ein anderes Ausführungsbeispiel eines lose gekoppelten Transformators gemäß der Erfindung dar.

Fig. 1 zeigt eine typische selbstschwingende Vorschaltan ordnung mit einer Drosselspannungsrückführung. Wie dort dargestellt ist, wird eine Wechselspannung aus einer Wech selstromquelle 10 durch einen Vollwellen-Gleichrichter 12 gleichgerichtet, so daß eine Gleichspannung an die Pa rallelschaltung aus einem Eingangskondensator C_i und einer Halbbrückenverbindung von aktiven Schaltvorrichtungen ange legt wird, die schematisch als einfache Schalter S1 und S2 gezeigt sind. Ein Schwingkreis, der eine Schwingdrossel L_r und einen Schwingkondensator C_r aufweist, ist mit dem Aus gang der Halbbrücke verbunden. Weiterhin ist ein Gleich spannungs-Sperrkondensator C_b gezeigt, der mit der Schwing drossel L_r in Reihe geschaltet ist. Wie vorstehend ausge führt wurde, sind derartige Spannungsrückführungs-Vorschal tanordnungen zwar einfach im Aufbau, sie weisen aber eine schlechte Eingangsspannungsstabilisierung auf, wenn sich entweder der Lampenwiderstand oder die Leitungseingangs spannung ändert. Wie gezeigt und allgemein bekannt ist, wird möglicherweise eine Phasenschieberschaltung 13 verwen det, um für eine volle Umkehrung zwischen dem Ausgang und dem Eingang zu sorgen.

Fig. 2 zeigt eine typische selbstschwingende Vorschaltan ordnung mit einer LC Schwingkreis-Stromrückführung. Wie dort dargestellt ist, ist ein Stromabtast-Transformator bzw. -wandler 18 in den LC Schwingkreis eingefügt, um eine Probe (Sample) des Schwingkreisstromes zu den Schaltvor richtungen S1 und S2 rückzuführen. Obwohl die Eingangsspan nungsstabilisierung stark verbessert ist gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Spannungsrückführungsklasse, vergrö ßern die zwei magnetischen Komponenten die Komplexität der Schaltungsanordnung und des Layout.

Gemäß der Erfindung wird eine Vorschaltanordnung der Strom rückführungsklasse derart ausgestaltet, daß eine einzige magnetische Komponente verwendet wird, die einen Transfor mator bzw. Wandler 30 aufweist, der wie in Fig. 3 darge stellt ausgeführt ist, um die Funktion von sowohl der Schwingkreisinduktivität als auch des Stromrückführungs transformators auszuüben. Der Transformator 30 weist einen Doppel-E("EE")-Kern 32 mit Drosselwicklungen 34 auf einem Mittelschenkel 36 und Steuerwicklungen 38 auf dem einen äu ßeren Schenkel 40 (oder 42) auf. Der äußere Schenkel, der die Sekundärwicklungen aufweist, wird hier als der Sekun därschenkel bezeichnet; und der andere Schenkel, der keine Wicklungen aufweist, wird hier als der Shunt-Schenkel be zeichnet.

Vorzugsweise hat, wie in Fig. 3 gezeigt ist, der mittlere Schenkel einen Spalt 44, um eine magnetische Kernsättigung zu vermeiden und die Induktivität einzustellen. Die Länge 1 des Spaltes bestimmt den Wert der Schwingkreisinduktivität. In dem Kern erzeugter Fluß teilt sich zwischen den zwei äu ßeren Schenkeln des Kerns auf. Auf diese Weise wird die Kopplung zwischen dem mittleren Schenkel und den äußeren Schenkeln signifikant unter eins verkleinert, wodurch der Transformatorbetrieb von einem Spannungstransformator in Richtung auf einen Stromtransformator verschoben wird.

Die Kopplung kann weiterhin durch einen Spalt in einem der äußeren Schenkel eingestellt werden. Insbesondere kann zur Verkleinerung der Kopplung der sekundäre Schenkel mit einem Spalt versehen oder im Querschnitt dünner gemacht werden. Zu Darstellungszwecken ist in Fig. 3 der Sekundärschenkel 40 so dargestellt, daß er einen Spalt 46 aufweist.

Einzelwerte von Parametern der Transformatorkonstruktion können wie folgt berechnet werden:
Der Kern und die Windungszahlung können exakt wie eine ein fache Drossel gewählt werden, wobei die folgenden Gleichun gen

und

um A_c, N und G_p so zu wählen, daß sich die gewünschte pri märe Streuinduktivität ergibt. In diesen Gleichungen ist B_Spitze das Spitzenmagnetfeld, das der Kern vor seiner Sät tigung tolerieren kann, V_Spitze ist die primäre Spitzen spannung, N ist die Anzahl von Primärwindungen, A_c ist die Querschnittsfläche des Kerns, L ist die gewünschte Indukti vität und µ_O ist die absolute Dielektrizitätskonstante des Vakuums.

Die obigen Gleichungen ignorieren die Wirkungen der Sekun därwicklungen und des sekundären Luftspaltes auf die Pri märwicklung. Da dies jedoch ein lose gekoppelter Transfor mator ist, ist das bestimmende Merkmal der Primärwicklung ihre Streuinduktivität. Die Streuinduktivität resultiert aus dem Vorhandensein des unbewickelten Shunt-Schenkels, der eine Bahn mit kleiner Reluktanz für den größeren Teil des Magnetflusses sorgt, der durch die Primärwicklung er zeugt wird. Da dieser Pfad im Nebenschluß zu den Sekundär wicklungen liegt, ist die primäre Streuinduktivität relativ unempfindlich gegenüber Einzelheiten des sekundären magne tischen Kreises. Dieses Auslegungsverfahren ist besonders geeignet für Transformatoren mit Kopplungs-Koeffizienten unter beispielsweise etwa 0,25. Wenn die Auslegung des Se kundärkreises angibt, daß der Shunt-Schenkel mit einem Spalt versehen werden muß, um die Kopplung zu vergrößern, sollte der Primärkreis neu ausgelegt werden, wobei Effekte der Sekundärwicklung berücksichtigt werden. Weiterhin igno rieren die obigen Gleichungen die Reluktanz des Magnetkern materials und geben somit nur Werte der Anfangsauslegung an. Diese Werte müssen wahrscheinlich experimentell ange paßt werden, wenn exakte Komponentenwerte erforderlich sind.

Was bleibt, ist, den Sekundärkreis für eine gewünschte se kundäre Induktivität und Kopplung auszulegen. Es gibt zwei Parameter, die eingestellt werden können, nämlich die Zahl der Sekundärwindungen (N_S) und die Breite des sekundären Spaltes (G_S), um die gewünschte sekundäre Induktivität und Kopplung zu erhalten. Leider sind die sekundäre Induktivi tät und die Kopplung beide empfindlich gegenüber N_S und G_S; deshalb muß ein Satz gemeinsamer Gleichungen gelöst werden, um ein richtiges N_S und G_S zu ermitteln.

Es ist auch ein empirisches Verfahren entwickelt worden. Danach wird mit einer Sekundärwicklung begonnen, die eine kleine Windungszahl (z. B. zehn) hat, und die Windungszahl eingestellt wird, um die erforderliche sekundäre Induktivi tät zu erhalten, wobei die Formel verwendet wird:

Mit der neuen Zahl von Sekundärwindungen N_S, die um den Kern gewickelt sind, kann der Wert der sekundären Indukti vität verifiziert werden.

Als nächstes wird die primäre Induktivität bei Leerlauf und Kurzschluß des Sekundärkreises gemessen. Der Kopplungs-Ko effizient k wird unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet:

Wenn die Kopplung zu hoch ist, kann der sekundäre Schenkel mit einem Spalt versehen werden, um die Kopplung zu ver kleinern. Falls k zu klein ist, kann der Shunt-Schenkel mit einem Spalt versehen werden, um die Kopplung zu vergrößern.

Ein Weg, um die Transformatorstruktur gemäß Fig. 3 zusam menzubauen, besteht darin, einen Zusammenschnapp-Spulenkör per zu verwenden. Dies würde gestatten, daß die Primär- und Sekundärwicklungen in einer üblichen Weise gefertigt werden und dann zusammengeschoben werden, um eine einzige Wickel körperstruktur herzustellen, in die die EE-Kerne eingesetzt werden könnten. Ein derartiger Zusammenschnapp-Spulenkörper könnte auch einen eingeformten Ausgleichskörper (Shim) ent halten, um die Magnetstücke im Volumen richtig mit einem Spalt zu versehen.

Ein anderes Verfahren zum Fertigen eines Transformators des in Fig. 3 gezeigten Typs besteht darin, die Reluktanz des Sekundärschenkels zu vergrößern, indem der gesamte oder ein Teil des sekundären Pfades verengt ist, wie es durch den verengten sekundären Schenkel 38' in Fig. 4 dargestellt ist. Der gleiche Effekt kann erreicht werden, indem der se kundäre Pfad verlängert wird, indem asymmetrische Fenster verwendet werden, wie es ebenfalls in Fig. 4 dargestellt ist. Die Konstruktion des sekundären Pfades aus einem ande ren magnetischen Material mit kleinerer Permeabilität als die Primär- und Shunt-Schenkel würde ebenfalls dazu dienen, die Reluktanz des sekundären Pfades zu vergrößern.

Es sei bemerkt, daß magnetische Strukturen, die einen se kundären Schenkel ohne Spalt und einen Shunt-Schenkel mit Spalt aufweisen, für eine Verwendung als strombegrenzende Transformatoren bekannt sind, wie es in der US-PS 4 613 841, erteilt am 23. September 1986 für V.D. Roberts, beschrieben ist. Derartige Strukturen haben jedoch eng ge koppelte primäre und sekundäre Wicklungen und sind somit nicht geeignet für einen Schwingkreis-Stromrückführungsbe trieb.

Fig. 5 stellt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel von einem lose gekoppelten Transformator dar, der geeignet ist, um sowohl für eine Schwingkreis-Induktivität als auch eine Stromrückführung in einer Vorschaltanordnung gemäß der Er findung zu sorgen. Genauer gesagt, weist der Transformator gemäß Fig. 5 eine K-M-K Struktur auf; das heißt, einen er sten K-Kern 60, einen mittleren M-Kern 62 und einen zweiten K-Kern 64. Die Drosselwicklung 66 ist auf den ersten K-Kern gewickelt, und die Steuerwicklungen 68 und 70 sind auf den zweiten K-Kern gewickelt. Es gibt einen relativ kleinen Luftspalt 72 zwischen dem ersten K-Kern und dem M-Kern; und es gibt einen relativ großen Spalt 74 zwischen dem M-Kern und dem zweiten K-Kern.

Claims

1. Selbstschwingende Lampen-Vorschaltanordnung, die wenig stens eine Schaltvorrichtung, einen Schwingkreis, der eine Schwingkreisdrossel und eine Schwingkreiskapazität enthält und mit dem Ausgang der Vorschaltanordnung ge koppelt ist, und einer Stromrückführungsanordnung, die eine Stromrückführung von dem Schwingkreis zu der Vor schaltanordnung sorgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrückführungsanord nung einen Transformator (30) aufweist, der einen EE-förmigen Kern (32) mit einem mittleren Schenkel (36) und zwei äußeren Schenkeln (38, 40) aufweist, wobei der mittlere Schenkel (36) eine Wicklung darauf hat, die die Schwingkreis-Induktivität (L_r) bildet, und einer der äußeren Schenkel (38, 40) eine Sekundärwicklung dar auf hat, die jeder entsprechenden Schaltvorrichtung (S1, S2) entspricht, wobei der andere der äußeren Schenkel einen Shunt-Schenkel bildet.

2. Vorschaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der mittlere Schenkel (36) einen darin ausgebildeten Spalt (44) aufweist, wobei die Schwing kreis-Induktivität (L_r) von der Länge des Spaltes (44) abhängt.

3. Vorschaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß in wenigstens einem der äußeren Schenkel (38, 40) ein Spalt (46) ausgebildet ist zum Einstellen der Kopplung zwischen dem mittleren Schenkel (36) und den äußeren Schenkeln (38, 40).

4. Vorschaltanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schenkel mit der Sekundärwicklung, die jeder entsprechenden Schaltvorrichtung entspricht, einen darin ausgebildeten Spalt (46) hat.

5. Vorschaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß einer (38') der äußeren Schenkel einen Abschnitt aufweist, dessen Querschnitt in bezug auf diejenigen der übrigen Abschnitte dünner gemacht ist, um die Kopplung zwischen dem mittleren Schenkel (36) und den äußeren Schenkeln (38, 40) einzustellen.

6. Vorschaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen jedem entsprechenden äußeren Schenkel (38, 40) und dem mittleren Schenkel (36) asym metrische Fenster ausgebildet sind.

7. Vorschaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß zwei Schaltvorrichtungen (S1, S2) vorgese hen sind und einer der zwei äußeren Schenkel (38, 40) zwei darauf angeordnete sekundäre Wicklungen aufweist, wobei jede Wicklung einer der Schaltervorrichtungen entspricht.

8. Vorschaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromrückführungskreis einen Transformator enthält, der einen Kern mit einem mittleren Schenkel und zwei äußeren Schenkeln aufweist, wobei einer der äußeren Schenkel eine Wicklung darauf aufweist, die die Schwingkreis-Induktivität bildet, und der andere der äußeren Schenkel eine Sekundärwicklung darauf aufweist, die jeder entsprechenden Schaltvor richtung zugeordnet ist.

9. Vorschaltanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß zwei Schaltvorrichtungen vorgesehen sind und einer der äußeren Schenkel zwei Sekundärwicklungen darauf aufweist, wobei jede Wicklung einer der Schalt vorrichtungen entspricht.

10. Vorschaltanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kern einen EE-förmigen Kern aufweist.

11. Vorschaltanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kern einen K-M-K-förmigen Kern auf weist.