DE19809749A1 - Vorschaltgerät für eine Niederdruckentladungslampe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät für eine Nieder­ druckentladungslampe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus dem Stand der Technik sind Vorschaltgeräte zum hoch­ frequenten Betrieb von Niederdruckentladungslampen bekannt, in denen die Netz-Wechselspannung gleichgerichtet, die so ent­ standene pulsierende Gleichspannung mittels eines Ladekon­ densators geglättet und die geglättete Spannung in einem Frequenzumrichter zerhackt wird. Auf diese Weise wird in den bekannten Vorschaltgeräten aus der 50 Hz-Netz-Wechselspan­ nung eine wesentlich höherfrequente Speisespannung zur An- Steuerung der Niederdruckentladungslampe erzeugt. Die höher­ frequente Speisespannung hat gewöhnlich eine Frequenz in der Größenordnung von 20 bis 100 kHz.

Als Ladekondensatoren (Glättungskondensatoren) werden in den genannten Vorschaltgeräten üblicherweise solche mit einer Kapazität in der Größenordnung von 5 µF bis 20 µF eingesetzt.

Dies bewirkt, daß nur im Spannungsmaximum Strom aus dem Netz entnommen wird. Das hat zur Folge, daß bei gleicher Leistung der Spitzenwert des Stromes und damit die Scheinleistung I_eff.U_eff bedeutet höher ist als bei sinusförmiger Stromaufnahme. Dadurch verschlechtert sich der Powerfaktor, der das Verhält­ nis von Wirk- zu Scheinleistung angibt. Bei den üblicherweise in den genannten Vorschaltgeräten verwendeten Gleichrichter­ schaltungen mit Graetzbrücke und Ladekondensator erreicht man höchstens einen Powerfaktor von 0,60.

Da gemäß bestehender Normen für Energiesparlampen mit einer Leistung über 25 W ein wesentlich höherer Powerfaktor gefordert wird, muß für derartige Energiesparlampen eine spezielle zusätzliche Schaltung zur Powerfaktorkorrektur, die an größeren Bauelementen über die zum Erzeugen der höherfre­ quenten Speisespannung für die Niederdruckentladungslampe hinaus nötigen Elemente mindestens einen Leistungstransistor und eine Induktivität enthält, bereitgestellt werden. Ein allgemeiner Nachteil bei der Verwendung von Vor­ schaltgeräten mit Glättungskondensator in einem Sockelteil einer Energiesparlampe, wie sie z. B. in der Druckschrift "Technisch-wissenschaftliche Abhandlungen der Osram-Gesell­ schaft", 12. Band, Springer-Verlag 1986, S. 389 dargestellt ist, besteht darin, daß die Lebensdauer einer solchen Energie­ sparlampe im wesentlichen durch die Lebensdauer des Glättungs­ kondensators beschränkt wird. Die im Sockelteil herrschenden relativ hohen Temperaturen zwischen 80°C und 90°C führen relativ rasch zum Ausfall des stets als Elektrolytkondensator ausgeführten Glättungskondensators.

Schließlich macht der Elektrolytkondensator aufgrund seiner Größe eine weitere wesentliche Miniaturisierung des Sockelteils unmöglich.

Aus der DE 94 16 860 U1 ist ein Vorschaltgerät zum hoch­ frequenten Betrieb einer Niederdruckentladungslampe bekannt, in dem ein Glättungskondensator mit einer relativ niedrigen Kapazität von nur rund 500 nF eingesetzt wird. Diese Kapazität ist so bemessen, daß nach der in dem Fall unvollständigen Spannungsglättung eine pulsierende Gleichspannung erhalten bleibt, die aber in den Spannungseinbrüchen nicht auf Null geht, sondern dort noch ungefähr 10% bis 50% der Maximalam­ plitude beträgt. Diese Spannung reicht jedoch nicht mehr aus, um einen ununterbrochenen Betrieb der Leuchtstofflampe zu erreichen. Deshalb ist gemäß der DE 94 16 860 U1 ein zur Niederdruckentladungslampe parallel angeordneter Überbrüc­ kungsschalter vorgesehen, der in jeder Halbwelle des Frequenz­ umrichters mindestens einmal kurzzeitig geschlossen wird. Der Überbrückungsschalter lädt im geschlossenen Zustand eine mit der Niederdruckentladungslampe in Reihe geschaltete Induktivi­ tät auf, die sich anschließend über die Niederdruckentladungs­ lampe entlädt. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, über die obengenannten allgemeinen Nachteile bei der Verwendung eines Glättungskondensators hinaus, insbesondere, daß eine relativ aufwendige Steuereinheit vorgesehen werden muß, die den Über­ brückungsschalter in Synchronisation mit der Taktung des Frequenzumrichters steuert. Darüber hinaus erreicht man auch mit dieser Schaltungsanordnung bestenfalls einen knapp über 0,60 liegenden Powerfaktor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vorschalt­ gerät für eine Niederdruckentladungslampe bereitzustellen, mit dem ein möglichst hoher Powerfaktor erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Vorschaltgerät nach Anspruch 1.

Das erfindungsgemäße Vorschaltgerät erzeugt als Speise­ spannung für die Niederdruckentladungslampe eine höherfrequen­ te Spannung, die mit Netz-Wechselspannung moduliert ist. Auf die Verwendung eines Ladekondensators wird gänzlich verzich­ tet, was allein schon eine gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Vorschaltgeräten erhebliche Vergrößerung des Powerfaktors auf 0,90 bewirkt. Um jedoch zu verhindern, daß zwischen den einzelnen Spannungshalbwellen der Lichtbogen der Niederdruckentladungslampe unterbrochen wird, wenn die Speise­ spannung einen bestimmten Wert unterschreitet, und wieder zündet, wenn die Speisespannung einen bestimmten Wert über­ schreitet, und dadurch die Stromaufnahme nicht mehr sinusför­ mig, sondern durch sogenannte Wiederzündspitzen relativ stark verzerrt wird, erfolgt, wie in Anspruch 1 festgelegt, erfin­ dungsgemäß die Bereitstellung eines Rückkopplungsstromzweiges mit spezieller Gleichrichterfunktion und die spezielle Ver­ schaltung der ersten und der zweiten Gleichspannung zur am Eingang der elektronischen Umschalteinrichtung anliegenden dritten Gleichspannung. So kann mit einfachen schaltungstech­ nischen Mitteln ein hoher Powerfaktor von mindestens 0,97 erreicht werden.

Vorteilhafte und bevorzugte Ausführungsformen des erfin­ dungsgemäßen Vorschaltgeräts sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 6.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des erfindungs­ gemäßen Vorschaltgeräts anhand von Figuren erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts mit angeschlosse­ ner Niederdruckentladungslampe,

Fig. 2 einen prinzipiellen zeitlichen Spannungsverlauf an drei verschiedenen Punkten in der Schaltung gemäß Fig. 1 bei deren Betrieb und

Fig. 3 ein Schaltbild einer praktisch erprobten Ausfüh­ rungsform des erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts.

Eine am Eingang eines erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts (siehe Fig. 1) anliegende Wechselspannung U_e wird mittels einer ersten Gleichrichtereinrichtung 1 gleichgerichtet. In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist die erste Gleichrichter­ einrichtung 1 ein Zweiweggleichrichter, der an seinem Ausgang eine erste pulsierende Gleichspannung U1 (siehe auch Fig. 2) bereitstellt.

Die erste Gleichspannung U1 wird einer ersten Diode D1 (siehe auch Fig. 3) einer Auswahlschaltung 3 zugeführt. Die Auswahlschaltung 3 weist eine zur ersten Diode D1 in gleicher Durchlaßrichtung parallel geschaltete zweite Diode D2 auf. Am Anschluß der zweiten Diode D2, der dem mit der ersten Gleich­ spannung U1 beaufschlagten Anschluß der ersten Diode D1 ent­ spricht, liegt eine zweite pulsierende Gleichspannung U2 (siehe auch Fig. 2) an, deren Erzeugung weiter unten erläutert wird. Die beiden anderen Anschlüsse der Dioden D1, D2 sind elektrisch zum Ausgang der Auswahlschaltung 3 zusammenge­ schlossen.

Bezeichnet man die am Ausgang der Auswahlschaltung 3 bereitgestellte Gleichspannung als "dritte Gleichspannung U3", so kann die durch die Auswahlschaltung 3 realisierte Funktion folgendermaßen dargestellt werden:

U3 = U1 - U_s für U1 < U2
U3 = U2 - U_s für U2 < U1,

wobei U_s die Diodenschleusenspannung ist und für eine Silizium-Flächendiode ungefähr 0,7 V beträgt.

In Fig. 2 sind die erste, zweite und dritte Gleichspannung U1, U2 und U3 über der Zeitachse dargestellt.

Die dritte Gleichspannung U3 wird einer elektronischen Um­ schalteinrichtung 4 zugeführt, die so ausgelegt ist, daß sie die an ihrem Eingang anliegende dritte Gleichspannung U3 hochfrequent zerhackt und eine derart gewonnene hochfrequente Spannung U4 an ihrem Ausgang bereitstellt. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Vor­ schaltgeräts ist die elektronische Umschalteinrichtung 4 ein einfacher elektronischer Umschalter zwischen einem mit der dritten Gleichspannung U3 beaufschlagten Eingang und Masse. Als elektronische Umschalteinrichtung 4 kann z. B., wie in Fig. 3 dargestellt, eine übliche Halbbrückenschaltung einge­ setzt werden. Typischerweise liegt die Umschaltfrequenz der elektronischen Umschalteinrichtung 4 im Bereich zwischen 20 kHz und 100 kHz.

Die am Ausgang der elektronischen Umschalteinrichtung 4 anstehende hochfrequente Spannung U4, die im wesentlichen eine Rechteckspannung ist, wird in bekannter Weise einem Ausgangs­ stromzweig und in erfindungsgemäß neuer Weise einem Rück­ kopplungsstromzweig zugeführt.

Im Ausgangsstromzweig gelangt die hochfrequente Spannung U4 über eine Vorschaltdrossel 6 und einen ersten Koppelkon­ densator 7 zum Entladungsgefäß einer Niederdruckentladungs­ lampe 9.

Im Rückkopplungsstromzweig wird die hochfrequente Span­ nung U4 über einen zweiten Koppelkondensator 5 einer zweiten Gleichrichtereinrichtung 2 zugeführt. Die zweite Gleichrich­ tereinrichtung 2 stellt an ihrem Ausgang die bereits oben erwähnte zweite Gleichspannung U2 bereit. Wie aus Fig. 1 und Fig. 3 ersichtlich, weist die zweite Gleichrichtereinrichtung 2 in den dargestellten Ausführungsbeispielen des erfindungs­ gemäßen Vorschaltgeräts einen Ladekondensator C4 auf, der aufgeladen wird, wenn die erste Gleichspannung U1 größer als die zweite Gleichspannung U2 ist, und der entladen wird, wenn die erste Gleichspannung U1 kleiner als die zweite Gleich­ spannung U2 ist.

Mit geeigneter Dimensionierung der einzelnen Bauelemente, insbesondere des zweiten Koppelkondensators 5, wird erreicht, daß die dritte Gleichspannung U3 auch in den Lücken zwischen den Spannungshalbwellen der Netzspannung U_e so groß bleibt, daß keine Unterbrechung der Entladung erfolgt, so daß keine Wie­ derzündspitzen und kaum eine Helligkeitsmodulation der Nieder­ druckentladungslampe 9 auftreten.

In Fig. 3 ist ein Schaltbild eines praktisch erprobten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts dargestellt, mit dem ein Powerfaktor von 0,97 erreicht wurde. Das dargestellte Vorschaltgerät kann räumlich so klein bemes­ sen werden, daß es in einem in eine normale Lampenfassung einschraubbaren Sockelteil einer Energiesparlampe unterge­ bracht werden kann.

Claims (6)

1. Vorschaltgerät für eine Niederdruckentladungslampe (9) mit

• - einer ersten Gleichrichtereinrichtung (1) mit einem Ein­ gang zum Anschluß an ein Wechselspannungsnetz, wobei die Gleichrichterschaltung (1) so ausgelegt ist, daß sie an einem Ausgang eine erste Gleichspannung (U1) bereit­ stellt,
• - einer elektronischen Umschalteinrichtung (4), die so ausgelegt ist, daß sie eine an ihrem Eingang anliegende dritte Gleichspannung (U3) hochfrequent zerhackt und eine derart gewonnene hochfrequente Spannung (U4) an ihrem Ausgang bereitstellt, und
• - einem mit der elektronischen Umschalteinrichtung (4) in Reihe geschalteten und elektrisch an deren Ausgang ange­ schlossenen Ausgangsstromzweig zum Anschluß an die Nie­ derdruckentladungslampe (9), wobei der Ausgangsstromzweig eine Vorschaltdrossel (6) aufweist,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• - das Vorschaltgerät einen Rückkopplungsstromzweig, in dem die von der elektronischen Umschalteinrichtung (4) be­ reitgestellte hochfrequente Spannung (U4) zu einer zwei­ ten Gleichspannung (U2) gleichgerichtet wird, aufweist und
• - das Vorschaltgerät so ausgelegt ist, daß die erste Gleichspannung (U1) und die zweite Gleichspannung (U2) derart miteinander verschaltet werden, daß immer die augenblicklich größere dieser beiden Gleichspannungen (U1, U2) als Grundlagenspannung zur Erzeugung der dritten Gleichspannung (U3) dient.

2. Vorschaltgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Auswahlschaltung (3) mit zwei parallel in gleicher Durch­ laßrichtung geschalteten Dioden (D1, D2), die so angeordnet sind, daß an einem Anschluß einer Diode (D1) die erste Gleichspannung (U1) und am entsprechenden Anschluß der anderen Diode (D2) die zweite Gleichspannung (U2) anliegt und die beiden anderen Anschlüsse der Dioden (D1, D2) elek­ trisch zum Ausgang der Auswahlschaltung (3) zusammenge­ schlossen sind, wobei der Ausgang der Auswahlschaltung (3) elektrisch mit dem Eingang der elektronischen Umschaltein­ richtung (4) verbunden ist.

3. Vorschaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Rückkopplungsstromzweig eine zweite Gleichrichtereinrichtung (2) mit einem Ladekondensa­ tor (C4) derart angeordnet ist, daß der Ladekondensator (C4) aufgeladen wird, wenn die erste Gleichspannung (U1) größer als die zweite Gleichspannung (U2) ist, und der Ladekondensator (C4) entladen wird, wenn die erste Gleich­ spannung (U1) kleiner als die zweite Gleichspannung (U2) ist.

4. Vorschaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Rückkopplungsstromzweig ein Koppelkondensator (5) angeordnet ist.

5. Vorschaltgerät nach Anspruch 4, wenn dieser auf Anspruch 3 rückbezogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelkon­ densator (5) in Reihe zwischen die zweite Gleichrichter­ einrichtung (2) und den Ausgang der elektronischen Um­ schalteinrichtung (4) geschaltet ist.

6. Vorschaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es räumlich so klein bemessen ist, daß es in einem in eine normale Lampenfassung ein­ schraubbaren Sockelteil einer Energiesparlampe unterge­ bracht werden kann.