DE20122035U1 - Betriebsgerät für Leuchtstoffröhren mit eingebauter Kühlstelle - Google Patents
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Abstract
Betriebsgerät für Leuchtstoffröhren (12) mit eingebauter Kühlstelle, deren Quecksilberdampfdruck sich durch Heizen der Kühlstelle regulieren läßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Kühlstelle oder eine Temperatur in der Umgebung der Kühlstelle mittels eines Temperatursensors (15) gemessen wird und die Wendelheizleistung so geregelt wird, daß die Temperatur der Lampe (12) in einem optimalen Bereich bleibt.
Description
- Bei herkömmlichen Leuchtstoffröhren steigt der Quecksilberdampfdruck mit der Temperatur exponentiell an. Bei tiefen Temperaturen steigt der Lichtstrom der Leuchtstoffröhre mit dem Quecksilberdampfdruck und der Temperatur zunächst an, weil mit steigendem Druck mehr Quecksilberatome zur Lichterzeugung zur Verfügung stehen. Bei höheren Temperaturen und höherem Quecksilberdruck steigen die Selbstabsorptionsverluste mit der Temperatur, was zu einem Lichtstromabfall führt. Dazwischen gibt es eine optimale Betriebstemperatur.
- Die neue T5-Leuchtstoffröhren 14 bis 35W und 24 bis 8W sind mit einer Kühlstelle hinter einer Heizwendel, nämlich der Heizwendel auf der gestempelten Seite der Leuchtstoffröhre ausgestattet, so dass sie eine Regelung des Quecksilberdampfdrucks durch Heizung der Wendel und damit der Kühlstelle erlauben.
- T5-Leuchtstoffröhren sind so konstruiert, dass sie ohne Wendelheizung ihre optimale Betriebstemperatur von 35° bei einer Umgebungstemperatur in der Leuchte von 25° erreichen. Gerade T5-Leuchtstoffröhren sind besonders empfindlich gegen Temperaturschwankungen und reagieren mit hohem Lichtstromabfall, wenn die optimale Betriebstemperatur nicht eingehalten wird, also der Quecksilberdampfdruck nicht optimal eingestellt ist. Die Betriebstemperatur wird bei der Verwendung der T5-Leuchtstoffröhren mit neueren, nicht dimmbaren Betriebsgeräten eingehalten, die auch als elektronische Vorschaltgeräte (EVGs) bezeichnet werden.
- Werden die Leuchtstoffröhren gedimmt, sinkt die Temperatur der Leuchtstoffröhre aufgrund der geringeren Lampenleistung. Bei 10% des maximalen Lichtstroms sinkt die Umgebungstemperatur der Leuchtstoffröhren, also die Temperatur in den Leuchten, bis auf ca. 25° ab. Hierdurch sinkt der Lichtstrom zusätzlich ab. Um ein zusätzliches Absinken des Lichtstroms aufgrund der nicht optimalen Temperatur zu vermeiden, heizen manche dimmbare EVGs die Heizwendel der Leuchtstofflampen mit einem von der Dimmung unabhängigen Wendelheizstrom. So wird erreicht, dass bei einer elektrischen Dimmung durch Pulsbreitenmodulation auf 10% auch der Lichtstrom auf 10% des maximalen Lichtstroms abfällt. Aufgrund des von der Dimmung unabhängigen Wendelheizstroms erreichen Lampen ungedimmt Betriebstemperaturen von ca. 45°. Wie oben ausgeführt, nehmen bei einer zu hohen Betriebstemperatur die Selbstabsorptionsverluste zu. Deshalb liefern diese EVGs schlechtere maximale Lichtstromwerte als die nicht dimmbaren EVGs.
- Um diesen Nachteil zu überwinden, wurden EVGs entwickelt, bei denen die Wendelheizleistung abhängig vom Dimmgrad und vom Lampentyp eingestellt wird.
- Weder dimmbare noch nicht dimmbare, auf dem Markt befindliche EVGs für T5-Lampen sind in der Lage, die optimale Lampentemperatur bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen aufrechtzuerhalten.
- Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein energiesparendes Betriebsgerät anzugeben.
- Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Vorteilhaft an einer Messung der Temperatur der Kühlstelle oder einer Temperatur in der Nähe der Kühlstelle und einer Heizung der Wendel auf der Kühlstellenseite, so dass die gemessene Temperatur konstant bleibt, ist, dass hierdurch ein optimaler Quecksilberdampfdruck unabhängig von der Dimmung der Lampe und von Umgebungstemperaturschwankungen eingehalten wird.
- Die beste und zuverlässigste Möglichkeit, den optimalen Dampfdruck einzustellen, ist die Messung der Temperatur der Aluminiumlampenkappe über der Kühlstelle, deren Temperatur den Quecksilberdampfdruck in der Lampe bestimmt.
- Die erfindungsgemäße Regelung stellt in vorteilhafter Weise bei allen Umgebungstemperaturen und Dimmgraden im Rahmen des lampenphysikalisch Möglichen die jeweils maximale Lichtausbeute ein.
- Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
-
1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Betriebsgeräts; und -
2 ein Schaltbild eines Betriebsgeräts, das Schaltungen für Baugruppen des erfindungsgemäßen Betriebsgeräts enthält. -
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Betriebsgerät. Es steuert vorzugsweise eine T5-Leuchtstoffröhre12 an. Diese enthält die Heizwendeln13 und14 , wobei die Kühlstelle hinter der Wendel13 angeordnet ist. Das Betriebsgerät umfaßt ein Netzfilter1 , eine Gleichrichterbrückenschaltung2 , einen HF-Generator3 (HF: Hochfrequenz), einen Pulsbreitenmodulator4 , einen FET-Leistungsverstärker5 , eine Baugruppe6 zur Sicherheitsabschaltung und Brennspannungskontrolle, ein Niedervoltnetzteil9 , eine Wendelheizungssteuerung10 , eine Wendelheizung11 , eine Dimmfaktorstabilisierung8 sowie einen Temperatursensor15 . - Das Netzfilter
1 kann beispielsweise durch die in2 dargestellten mit einem Kern versehenen Doppeldrosseln25 und26 sowie die Kondensatoren27 und28 realisiert werden. Darüber hinaus kann eine weitere Drossel24 sowie ein weiterer Kondensator 21 im Netzfilter1 vorgesehen sein. Die Gleichrichterbrücke2 besteht vorzugsweise aus vier Dioden31 ,32 ,33 sowie34 . Zur weiteren Unterdrückung hochfrequenter Störungen beim Ein- und Ausschalten der Dioden können Kondensatoren29 und30 vorgesehen sein. Daneben enthält die Gleichrichterbrückenschaltung2 einen oder mehrere Elektrolytkondensatoren35 und36 zur Reduzierung der Welligkeit der gleichgerichteten Spannung. Der Hochfrequenzgenerator3 wird durch die integrierte Schaltung43 in Verbindung mit Widerständen50 und52 sowie Kondensatoren51 und42 realisiert. - Wie ein Pulsbreitenmodulator
4 aufzubauen ist, ist aus dem Stand der Technik bekannt. Der FET-Leistungsverstarker 5 (FET: Feldeffekttransistor) besteht vorzugsweise aus FETs38 und40 . Ferner können die Widerstände39 und41 vorgesehen sein, die die integrierte Schaltung43 vor zu hohen Strömen beim Ein- und Aus schalten der FETs38 und40 schützen. Femer enthält der FET-Leistungsverstärker5 einen Kondensator37 , um den Gleichspannungsanteil zu unterdrücken und eine Drossel63 um eine mit einer Impedanz belastete Ausgangsspannung an die Leuchtstoffröhre zu liefern. Die Ansteuerung der Leuchtstoffröhre mit einer impedanzbelasteten Spannung ist notwendig, weil die Leuchtstoffröhre einen negativen differentiellen Widerstand aufweist, so dass im typischen Betriebsbereich trotz sinkender Spannung der Strom zunimmt. Der Grund für die Verwendung von Hochfrequenz liegt darin, dass mit steigender Frequenz Spulen mit geringerer Induktivität einen ausreichenden Blindwiderstand erzeugen. Folglich sinkt mit steigender Frequenz die Baugröße der Drossel63 . Eine Elektrode des Kondensators37 ist mit beiden FETs verbunden, die andere mit einem Anschluss der Drossel63 . Zwischen dem anderen Anschluss der Drossel63 und einer Betriebsspannung des FET-Leistungsverstärkers kann die Brennspannung16 für die Leuchtstoffröhre abgegriffen werden. - Die Baugruppe
6 , die die Sicherheitsabschaltung und die Brennspannungskontrolle realisiert, wird in der bevorzugten Ausführungsform durch Widerstände48 ,58 ,66 , Tyristor54 , Kondensatoren57 und59 sowie Dioden53 ,55 ,56 und60 realisiert. Insbesondere Widerstand66 sowie Dioden53 und55 sorgen für eine Abschaltung des Betriebsgeräts, falls vom Netz eine zu hohe Spannung geliefert wird, die zur Zerstörung des Betriebsgeräts und/oder der Leuchtstoffröhre führen kann. Insbesondere Widerstände58 ,61 ,62 , Dioden56 ,60 sowie Kondensatoren57 und59 überwachen die Brennspannung. - Solange die Leuchtstoffröhre noch nicht gezündet hat, erzeugt der Leistungsverstärker aufgrund des durch Kondensatoren
37 evtl. und65 sowie Spule63 gebildeten Schwingkreises eine Brennspannung von ca. 800 V zwischen den beiden Wendeln der Leuchtstoffröhre. Nach dem Zünden der Leuchtstoffröhre bricht diese Spannung durch Dämpfung des Schwingkreises durch die Leuchtstoffröhre auf etwa 200 bis 300 V zusammen. Die Brennspannungskontrolle in Baugruppe6 schaltet den Pulsbreitenmodulator und damit auch den Leistungsverstärker ab, falls die Zündspannung nicht innerhalb von 0,5 bis 1 s nach Einschalten der Brennspannung auf 200 bis 300 V zusammengebrochen ist, also die Leuchtstoffröhre nicht gezündet hat. - In einer anderen Ausführungsform wird das Zünden der Leuchtstoffröhre durch Messen des Drainstroms durch einen Leistungstransistor ermittelt. Beim Zünden steigt dieser Strom im zeitlichen Mittel an. Hierzu sind vorzugsweise ein Widerstand zwischen die negative Versorgungsspannung und das Drain im Transistor
40 geschaltet und die über diesen Transistor abfallende Spannung über Diode60 der Brennspannungskontrolle zugeführt. - Der Netzspannungscontroler
7 beeinflusst ebenfalls den Pulsbreitenmodulator. Der Netzspannungscontroler verändert die Pulsbreitenmodulation so, dass trotz Schwankungen der Netzspannung die Leuchtstoffröhre gleich hell leuchtet. Dies ist insbesondere deshalb sinnvoll, da die Netzsollspannung in einzelnen europäischen Ländern und den USA zwischen 220 und 240 V schwankt. Auf diese Weise werden landesspezifische Besonderheiten durch den Netzspannungscontroler7 kompensiert. - Das Niedervoltnetzteil erzeugt eine Gleichspannung von 15 V für die Dimmfaktorstabilisierung
8 und die Wendelheizungssteuerung10 . An die Dimmfaktorstabilisierung8 kann über Dimmeingang16 ein Potentiometer oder eine Fotozelle zum Dimmen der Leuchtstoffröhre angeschlossen werden. Die Dimmfaktorstabilisierung kann am Dimmeingang eine Spannung oder einen Widerstand messen. Die Wendelheizungssteuerung10 steuert die Wendelheizung 11 beim Einschalten so, dass beide Heizwendel13 und14 für 0,3 bis 0,5 s mit voller Leistung beheizt werden, bevor durch den FET-Leistungsverstärker5 eine Brennspannung an die Leuchtstoffröhre gelegt wird. - Das Vorheizen der Glühwendel wird als sogenannter Warmstart bezeichnet. Der Warmstart reduziert den Verschleiß der Heizwendel
13 und14 . Die Lebensdauer einer Leuchtstoffröhre ohne Startvorgänge beträgt etwa 20.000 Betriebsstunden. Durch häufige Kaltstarts, also Starts ohne Vorheizen der Heizwendeln reduziert sich diese auf etwa 5.000 Betriebsstunden. - Nach dem Starten der Leuchtstoffröhre wird in einer bevorzugten Ausführungsform lediglich die Heizwendel
13 beheizt. Die Heizwendel14 wird komplett von der Wendelheizung getrennt, so dass die Wendelheizung selbst keinen Kurzschluss für den Leistungsverstärker5 darstellt, wenn der Leistungsverstärker eine Brennspannung liefert. - Um das Problem des Kurzschlusses des Leistungsverstärkers durch die Wendelheizung weiter zu reduzieren, kann die Wendelheizung durch Wechselstrom erfolgen und in der Wendelheizung ein Transformator vorgesehen sein, der zwei Sekundärwicklungen, nämlich für jede Heizwendel eine, aufweist.
- Nach dem Starten wird die Heizleistung in der Heizwendel durch die Wendelheizungssteuerung
10 so gesteuert, dass die vom Temperatursensor15 gemessene Temperatur konstant bleibt. Hierzu wird das Ausgangssignal des Temperatursensors der Wendelheizungssteuerung10 zugeführt. Darüber hinaus erhält die Wendelheizungssteuerung ein Steuersignal von der Dimmfaktorstabilisierung8 . Das letztere Signal sorgt für eine verbesserte Regelung bei transienten Dimmvorgängen. Wird die Dimmung plötzlich herauf- oder heruntergeregelt, reagiert der Temperatursensor15 nur mit Verzögerung auf die sich mit der Lampenleistung ändernde Temperatur in der Aluminiumkappe. Anders ausgedrückt kann die Wendelheizungssteuerung einen PID-Regler darstellen. Dabei steht P für proportional, D für differential und l für Integral. Insbesondere der Differentialanteil für den Regler wird aus dem von der Dimmfaktorstabilisierung erhaltenen Signal berechnet. - Darüber hinaus beeinflußt die Dimmfaktorstabilisierung den Pulsbreitenmodulator entsprechend der Dimmung.
- In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird nicht nur Heizwendel
13 sondern auch Heizwendel14 während des Betriebs vorzugsweise mit der gleichen Heizleistung beheizt. Diese Ausführungsform hält insbesondere bei starken Umgebungstemperaturschwankungen die Temperatur in der Leuchtstoffröhre und damit den Quecksilberdampfdruck im optimalen Bereich. - In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Heizwendel
14 auch beim Starten nicht beheizt. Diese Ausführungsform ermöglicht die Einsparung von Bauteilen in der Wendelheizung sowie einer elektrischen Verbindung zur Heizwendel14 . Diese Ausführungsform ist besonderes dann vorteilhaft, wenn die Leuchtstoffröhre selten ein- und ausgeschaltet wird. Eine solche Beschaltung der Leuchtstoffröhre ist in2 gezeigt. -
2 zeigt ein nicht dimmbares elektronisches Vorschaltgerät für Leuchtstoffröhren. Durch die einseitige Abkopplung des Hochfrequenzstromkreises durch HF-Trenntrafo64 vom Netzeingang wird das Stromnetz nicht mehr mit HF belastet. Der Trenntrafo64 weist zwei identische Wicklungen auf, so dass sich ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 1 ergibt. Durch diese Maßnahmen können die teueren Auskoppelkondensatoren über dem Brückengleichrichter entfallen, der aus den Dioden31-34 gebildet wird. Am Brückengleichrichter liegt nämlich nur noch niederfrequenter Netzwechselstrom an. Ein Abkoppelkondensator im HF-Kreis kann entfallen, weil der Gleichspannungsanteil vom Schwingkreiskondensator37 aufgenommen wird. Durch geeignete Dimensionierung wird die Blindstromkomponente der Drossel63 fast vollständig kompensiert. Durch die Auskopplung der Hochfrequenz durch den Transformator64 wird die Netzverschmutzung durch hochfrequente Störungen reduziert, so dass höhere Betriebsfrequenzen durch integrierte Schaltung43 und den durch die Transistoren38 und40 gebildeten Leistungsverstärker verwendet werden können. Wie oben ausgeführt, kann folglich eine Drossel mit geringer Induktivität und somit kleiner Baugröße verwendet werden. Die Abstrahlung von Hochfrequenz wird dann besonderes gering gehalten, wenn die Verbindung zwischen Transformator64 und der nicht beheizten Heizwendel von Leuchtstoffröhre20 kurz gehalten wird, also das Betriebsgerät nahe dieser Heizwendel montiert wird. - Die oben erläuterte Sicherheitsabschaltung durch die Baugruppe
6 wurde soweit verbessert, dass ein Zerstören der Leistungstransistoren38 und40 bei einem Defekt der Leuchtstoffröhre20 vermieden wird.
Claims (8)
- Betriebsgerät für Leuchtstoffröhren (
12 ) mit eingebauter Kühlstelle, deren Quecksilberdampfdruck sich durch Heizen der Kühlstelle regulieren läßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Kühlstelle oder eine Temperatur in der Umgebung der Kühlstelle mittels eines Temperatursensors (15 ) gemessen wird und die Wendelheizleistung so geregelt wird, daß die Temperatur der Lampe (12 ) in einem optimalen Bereich bleibt. - Betriebsgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (
15 ) in einer Lampenkappe nahe der Kühlstelle angeordnet ist. - Betriebsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsgerät für T5-Leuchtstoffröhren vorgesehen ist.
- Betriebsgerät nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtstoffröhre mit Hochfrequenz betrieben wird, die durch einen Hochfrequenzgenerator (
3 ) und einen Leistungsverstärker (5 ) erzeugt wird, wobei ferner ein Pulsbreitenmodulator (4 ) vorgesehen ist, um die Pulsbreite der Hochfrequenz und damit den Leuchtstrom zu steuern. - Betriebsgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Netzspannungscontroler (
7 ) vorgesehen ist, der ein Ausgangssignal erzeugt, das dem Pulsbreitenmodulator (4 ) zugeführt wird und den Pulsbreitenmodulator so steuert, daß ein von einer angeschlossenen Leuchtstoffröhre (12 ) erzeugter Lichtstrom von der Höhe der Netzspannung unabhängig ist. - Betriebsgerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsgerät ferner eine Dimmfaktorstabilisierung (
8 ) aufweist, die ebenfalls ein Ausgangssignal für den Pulsbreitenmodulator (4 ) erzeugt, so daß der Lichtstrom einer angeschlossenen Leuchtstoffröhre (12 ) entsprechend einem an ei nem Dimmeingang (16 ) angeschlossenen Widerstand oder einer am Dimmeingang (16 ) angelegten Spannung gedimmt wird. - Betriebsgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Wendelheizungssteuerung (
10 ) vorgesehen ist, der ein Ausgangssignal des Temperatursensors (15 ) zugeführt wird, um die Wendelheizleistung für Heizwendel (13 ) zu regeln, wobei der Wendelheizungssteuerung (10 ) ferner ein Signal von der Dimmfaktorstabilisierung (8 ) zugeführt wird. - Betriebsgerät für eine Leuchtstoffröhre mit: einem Gleichrichter (
2 ;31 ,32 ,33 ,34 ); und einem HF-Generator (3 ) dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des HF-Generators (3 ) einem HF-Transformator (64 ) zugeführt wird, wobei ein Ende der Sekundärwicklung des HF-Transformators mit einem Anschluß für eine Heizwendel und das andere Ende der Sekundärwicklung mit einem Anschluß für die andere Heizwendel der Leuchtstoffröhre verbunden ist.
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