DE202004003815U1 - Selbstschwingender Halbbrückenwechselrichter als Vorschaltgerät für Kaltkathodenlampen - Google Patents

Abstract

Elektronisches Vorschaltgerät für eine oder mehrere Kaltkathodenlampen (13, 15) mit einem selbstschwingenden Halbbrückenwechselrichters dadurch gekennzeichnet,
– daß der Ausgang bzw. der Mittelabgriff des Wechselrichters (M) über eine Induktivität (10) mit der Primärwicklung (53) eines Hochspannungstransformators (5) verbunden wird und sich auf diesem Hochspannungstransformator zwei Steuerwicklungen (51, 52} befinden, die jeweils über ein Ansteuernetzwerk (3, 4) mit den Basisanschlüssen der beiden Halbbrückentransistoren (1, 2) verbunden sind,
– daß die Steuerwicklung (51) in Bezug auf Wicklungsanfang und -ende so mit dem betriebsspannungsseitigen Halbbrückentransistor (1) verbunden wird, daß dieser leitend ist, und die Steuerwicklung (52) so mit dem masseseitigen Halbbrückentransistor (2) verbunden wird, daß dieser sperrt, wenn die Spannung am signalführenden Anschluß P der Primärwicklung (53) positiv ist, womit erreicht wird, daß die rechteckförmige Wechselspannung am Mittelabgriff (M) der Halbbrücke und die sinusähnliche Wechselspannung am signalführenden Anschluß P der Primärwicklung (53) des Hochspannungstransformators (5) in Phase sind.
– daß ein...

Description

• Vorschaltgeräte für Kaltkathodenlampen müssen einen stabilen Betrieb und eine lange Lebensdauer der Kaltkathodenlampen gewährleisten, obwohl Zünd- und Brennspannungen großen Schwankungen unterliegen und stark temperaturabhängig sind. Damit sich sofort nach dem Einschalten auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen ein stabiler Arbeitspunkt einstellt, muß in Reihe mit der Kaltkathodenlampe (13, 15) ein kleiner Vorschaltkondensator (12, 16) z.B. 33pF bei 30kHz geschaltet werden, über den eine relativ große Spannung abfällt, so daß der Hochspannungstransformator (5) für eine höhere Spannung als die Zündspannung ausgelegt werden muß. Der Einsatz einer Vorschaltdrossel auf der Hochspannungsseite kommt wegen deren Größe und aus Kostengründen nicht in Frage. Der Einsatz eines Kondensators (12, 16) zur Strombegrenzung setzt aber voraus, daß die Hochspannung möglichst sinusförmig ist, da bei steilen Flanken wegen der Differenzierwirkung eines Serienkondensators hohe Stromspitzen auftreten würden, die zu einer Verringerung der Lebensdauer der Kaltkathodenlampen führen würden, d.h. der Spitzenwert sollte nicht wesentlich höher als das √2 fache des Effektivwertes sein. Außerdem muß das Vorschaltgerät leerlaufest sein. D.h. auch ohne Kaltkathodenlampe darf die Hochspannung einen Wert nicht überschreiten, der durch die Spannungsfestigkeit des Hochspannungstransformators vorgegeben ist.
• Alle diese Forderungen werden z.Z. nur von Vorschaltgeräten für Kaltkathodenlampen erfüllt, wie sie in Laptops eingesetzt werden, und deren Grundschaltung ein stromgekoppelter Gegentakt- oder Royerkonverter ist, der hier mit Betriebsspannungen von z.B. 12V betrieben wird.
• Bei Netzbetrieb d.h. bei hohen Betriebsspannungen (z.B. 300V) hat dieser Konverter aber einen entscheidenden Nachteil, denn über jeden der beiden Schalttransistoren fallt mehr als die doppelte Betriebsspannung ab. Diesen Nachteil haben beispielsweise Halbbrückenwechselrichter nicht, da hier die Spannungsfestigkeit der Schalttransistoren nur so groß wie die Betriebsspannung sein muß. Ein Halbbrückenwechselrichter liefert jedoch eine rechteckförmige Wechselspannung, die aus oben beschriebenen Gründen in eine sinusförmige Wechselspannung umgewandelt werden muß. Dazu kann der Ausgang des Halbbrückenwechselrichters (20) entsprechend 3 über eine Induktivität (10) und einen Koppelkondensator (9) mit einem Resonanzkreis verbunden werden, der aus der Primärinduktivität (53) eines Hochspannungstransformators (5) und einem parallel geschalteten Kondensator (11) besteht. Die Gesamtschaltung muß so dimensioniert werden, daß die Frequenz der Halbbrücke durch die Resonanzfrequenz des Schwingkreises bestimmt wird, wenn als selbstschwingender Halbbrückenwechselrichter eine Schaltung verwendet wird, wie sie in Energiesparlampen eingesetzt wird. Diese Schaltungsanordnung hat jedoch drei wesentliche Nachteile. Der eine besteht darin, daß bei einer defekten oder fehlenden Kaltkathodenlampe (13) wegen der Schwingkreisresonanz eine Hochspannung entsteht, die zur Zerstörung der Schaltung führen würde, wenn keine geeigneten schaltungstechnischen Sicherheitsmaßnahmen vorgesehen werden, die aber alle mit einem größeren Bauelementeaufwand verbunden sind. Der andere Nachteil besteht darin, daß die rechteckförmige Ausgangsspannung am Ausgang der Halbbrücke und die sinusförmige Spannung an der Primärwicklung (53) des Hochspannungstransformators um ca. 180° phasenverschoben sind, so daß über der Induktivität (10) die Summe beider Spannungen abfällt, so daß als Induktivität eine relativ große und teure Bauform gewählt werden muß. Als dritter Nachteil kann noch die Anzahl der relativ teuren induktiven Bauelemente genannt werden, da bei der beschriebenen Variante ein Stromwandlertrafo im Halbbrückenwechselrichter (20), die Koppelspule (10) zwischen Halbbrücke und Hochspannungstrafo und ein Hochspannungstrafo (5) benötigt werden. Beim Royerkonverter werden beispielsweise nur eine Stromdrossel und ein Hochspannungstrafo benötigt.
• Es wird deshalb nach einer schaltungstechnischen Lösung gesucht, die folgende Forderungen erfüllt:
• – Kein wesentlicher Anstieg der Hochspannung im Leerlauf, d.h. bei defekter oder fehlender Kaltkathodenlampe.
• – Möglichst kleine Bauform für die Koppelspule (10).
• – Anzahl der Induktivitäten nicht größer als zwei.
• Erfindungsgemäß wird folgender Lösungsweg vorgeschlagen: Wenn man, wie in 1 gezeigt, den Mittelabgriff M eines Halbbrückenwechselrichters über einen Koppelkondensator (9) und eine Induktivität (10) mit der Primärwicklung (53) eines Hochspannungstransformators (5) verbindet, zu der ein Kondensator (11) parallel geschaltet ist und auf den Hochspannungstransformator (5) zwei Steuerwicklungen (51) und (52) wickelt, die jeweils über ein Ansteuernetzwerk (3, 4) mit den Basisanschlüssen der beiden Halbbrückentransistoren (1 und 2) verbunden werden, kann man erreichen, daß die rechteckförmige Wechselspannung am Mittelabgriff M ungefähr die gleiche Phasenlage wie die sinusförmige Wechselspannung an der Primärwicklung des Hochspannungstrafos hat, wenn, wie in 1 dargestellt, der signalführende Anschluß P der Primärwicklung (53) und der Anschluß SH der Steuerwicklung (51) für den oberen Halbbrückentransistor (1) die gleiche Polung bzw. die gleiche Phasenlage, bzw. den gleichen Wickelsinn haben. Der Anschluß SL der Steuerwicklung (52) für den unteren Transistor (2) muß selbstverständlich entgegengesetzt dazu gepolt sein. Damit wird erreicht, daß der obere Halbbrückentransistor (1) während der positiven Halbwelle am signalführenden Anschuß P der Primärwicklung (53) leitend ist und die Halbbrückentransistoren (1, 2) alternierend schalten. Damit sind, wie in 4 dargestellt, die rechteckförmige Wechselspannung am Mittelabgriff (M) der Halbbrückentransistoren (1, 2) und die sinusähnliche Wechselspannung an der Primärwicklung (53) des Hochspannungstransformators (5) näherungsweise in Phase. Diese schaltungstechnische Maßnahme hat zur Folge, daß über der Induktivität (10) nur die Differenzspannung zwischen der rechteckförmigen Wechselspannung der Halbbrücke und der sinusförmigen Wechselspannung am Primärschwingkreis abfällt. Außerdem erfolgt keine nennenswerte Resonanzüberhöhung am Schwingkreis, d.h. auch die Hochspannung am Ausgang steigt bei Leerlauf kaum an, so daß keine schaltungstechnischen Maßnahmen erforderlich sind, die eine Zerstörung der Schaltung bei Leerlauf verhindern. Auch ist in der selbstschwingenden Halbbrücke kein Stromwandler mehr erforderlich, so daß die oben gestellten Forderungen erfüllt sind.
• Zusätzlich bietet diese Grundschaltung weitere schaltungstechnische Möglichkeiten. So können statt einer auch mehrere Kaltkathodenlampen auf verschiedene Weise angeschaltet werden. Einmal ist ein einfacher paralleler Anschluß der Kaltkathodenlampen über jeweils einen kleinen Koppelkondensator (12 und 16), wie in 1 gezeigt, möglich. Sollen beide Kaltkathodenlampen (13 und 15) auch bei größeren Brennspannungsunterschieden gleiche Helligkeit aufweisen, empfiehlt sich eine Reihenschaltung der Kaltkathodenlampen, entsprechend 2. Dabei wird ein zweiter Hochspannungstrafo (6) zu dem ersten Hochspannungstrafo (5) parallel geschaltet, auf dem sich keine Steuerwicklungen befinden müssen, der aber wie in 2 dargestellt entgegengesetzt gepolt angeschlossen werden muß, so daß die Spannungen an den beiden Hochspannungsanschlüssen entgegengesetzte Polarität haben, und somit zwischen beiden Anschlüssen eine doppelt so hohe Spannung auftritt wie an jedem einzelnen Trafo. Natürlich ist es auch möglich, die Primärwicklungen in Reihe zu schalten, wobei selbstverständlich immer die Polarität beachtet werden muß.
• Ebenfalls können als Schalttransistoren (1 , 2) auch MOS-Transistoren als Halbrückentransistoren eingesetzt werden, wenn die Spannung der Steuerwicklungen (51 , 52), die Emitterwiderstände (7, 8) und das Ansteuernetzwerk (3 , 4) entsprechend angepaßt werden.
• Die Anschaltung der Kaltkathodenlampen (13, 15) an die Hochspannungswicklung des Hochspannungstransformators (5, 6) muß über einen Koppelkondensator (12, 16) erfolgen, der zur Gewährleistung eines stabilen Arbeitspunktes bei großen Toleranzen der Zünd- und Brennspannung eine möglichst kleine Kapazität haben sollte, d.h der Spannungsabfall über diesen Kondensator sollte in der Größenordnung der Brennspannung liegen. Wenn die Schaltfrequenz des Halbbrückenwechselrichters bei 30kHz liegt, sind Kapazitätswerte von 22pF – 47pF zweckmäßig.
• Wenn für die Spannung der Steuerwicklungen (51, 52) eine Spannung im Bereich von ca. 2Veff bis 6Veff gewählt wird und Transistoren mit einer Storage Time von z.B. 2us verwendet werden, kann das Ansteuernetzwerk (3 , 4) aus einer Parallelschaltung eines Widerstandes (31 ,41) und einer Diode (32, 42) bestehen, wobei der Widerstand (31, 41) vorzugsweise im Bereich von 100 Ω bis über 1kΩ liegen kann. Die Diode hat dabei die Aufgabe, die Ausschaltverzögerung zu verringern, da über die Diode die Basisladung schneller abfließen kann. Im Gegensatz zu dem Halbbrückenwechselrichter für Energiesparlampen, wo die Emitterwiderstände (7, 8) und die Basiswiderstände (31 , 41) relativ klein sind, z.B. Re=1Ω bis 5Ω und Rb=10Ω bis 50Ω , liegen bei dieser Schaltung die Emitterwiderstände bei einer Lampenleistung von SW bis 10W vorzugsweise im Bereich von 10Ω bis 100Ω.
• Wenn für den Schwingkreiskondensator (11) ein Wert von 10nF gewählt wird, und die Primärspule eine Induktivität von ca. 3mH besitzt, dann ergibt sich eine Arbeitsfrequenz von ca. 29kHz. Die Induktivität der Koppelspule (10) kann bei einigen mH liegen
• Bei einer Betriebsspannung von ca. 300V ergibt sich für die Wechselspannung am Schwingkreis, der aus der Primärspule (53) und dem Parallelkondensator (11) gebildet wird eine Amplitude von ca. 150V+ca.10% , so daß bei einem Übersetzungsverhältnis von z.B. ü=9 an der Hochspannungswicklung eine Ausgangsamplitude von kleiner 1485V zur Verfügung steht, die relativ lastunabhängig ist. Die Schwankung dieser Spannung ist aber direkt proportional der Netzspannungsschwankung. Da der Lampenstrom jedoch von der Differenz zwischen Hochspannung und Brennspannung bestimmt wird, sind die Schwankungen des Lampenstromes noch wesentlich größer als die Netzspannungsschwankungen. Dieses Problem durch eine Erhöhung der Hochspannung zu lösen scheidet praktisch aus, da neben der unvertretbaren Mehrkosten für den Hochspannungstrafo die Lampenstromschwankungen nach wie vor proportional zu den Netzspannungsschwankungen wären.
• Aus diesem Grund sollte, wenn möglichst gleiche Helligkeit bei größeren Schwankungen der Netzspannung gefordert werden, die erfindungsgemäße Halbbrückenschaltung (21) entsprechend 5 mit einem Hochsetzsteller (22) kombiniert werden, wobei eine dem Lampenstrom proportionale Regelspannung UR über einen im Hochspannungskreis liegenden Widerstand (14) abgegriffen und dem Hochsetzsteller (22) zugeführt wird. Dies hat mehrere wesentliche Vorteile:
• – Konstanter Lampenstrom d.h. gleiche Helligkeit in einem weiten Betriebsspannungsbereich (z.B. 100V bis 250V).
• – Nach dem Einschalten stellt sich sofort der vorgesehene Lampenstrom und damit die volle Helligkeit ein.
• – Sehr guter Powerfaktor (>95%) und geringe Stromoberwellen,
• – Geringere Wärmeverluste, da bei Betriebsspannungen von ca. 380V bis 420V die Ströme im Halbbrückenwechselrichter bei gleicher Leistung geringer sind, weil die ohmschen Verluste vom Quadrat der Stromwerte abhängen.
• – Die Differenz zwischen der Spannung der Hochspannungswicklung (54) und der Brennspannung der Kaltkathodenlampe muß nur so groß sein, daß ein stabiler Arbeitspunkt garantiert wird.
• Dieser Hochsetzsteller (22) läßt sich sehr einfach und preisgünstig realisieren, wenn als Pulsweitenregler in diesem Hochsetzsteller die CMOS-Variante der bekannten 555-Timerschaltkreise eingesetzt wird (z.B der LMC555). Dieser Schaltkreis hat bei einer Betriebsspannung von 12V eine Stromaufnahme von kleiner 0,4mA , so daß sich die Spannungsversorgung sehr einfach durch einen Vorwiderstand mit geringer Verlustleistung realisieren läßt, der die gleichgerichtete Netzspannung mit dem Betriebsspannungsanschluß des Timerschaltkreises verbindet. Dabei muß selbstverständlich noch eine Z-Diode (z.B. 12V) und ein Kondensator (z.B. 47uF ) zwischen Betriebsspannungs- und Masseanschluß geschaltet werden.

Claims (7)

1. Elektronisches Vorschaltgerät für eine oder mehrere Kaltkathodenlampen (13, 15) mit einem selbstschwingenden Halbbrückenwechselrichters dadurch gekennzeichnet, – daß der Ausgang bzw. der Mittelabgriff des Wechselrichters (M) über eine Induktivität (10) mit der Primärwicklung (53) eines Hochspannungstransformators (5) verbunden wird und sich auf diesem Hochspannungstransformator zwei Steuerwicklungen (51, 52} befinden, die jeweils über ein Ansteuernetzwerk (3, 4) mit den Basisanschlüssen der beiden Halbbrückentransistoren (1, 2) verbunden sind, – daß die Steuerwicklung (51) in Bezug auf Wicklungsanfang und -ende so mit dem betriebsspannungsseitigen Halbbrückentransistor (1) verbunden wird, daß dieser leitend ist, und die Steuerwicklung (52) so mit dem masseseitigen Halbbrückentransistor (2) verbunden wird, daß dieser sperrt, wenn die Spannung am signalführenden Anschluß P der Primärwicklung (53) positiv ist, womit erreicht wird, daß die rechteckförmige Wechselspannung am Mittelabgriff (M) der Halbbrücke und die sinusähnliche Wechselspannung am signalführenden Anschluß P der Primärwicklung (53) des Hochspannungstransformators (5) in Phase sind. – daß ein Kondensator (11) vorzugsweise parallel zur Primärwicklung (53) geschaltet wird, der zusammen mit der Primärinduktivität näherungsweise die Arbeitsfrequenz des Wechselrichters bestimmt und in Verbindung mit der vorgeschalteten Induktivität (10) eine sinusähnliche Wechselspannung am Hochspannungstrafo (5) gewährleistet, – daß die Kaltkathodenlampe (13) über einen kleinen Auskoppelkondensator (12) z.B. 33pF bei 30kHz lose an die Hochspannungswicklung (54) angeschaltet wird, damit sich ein stabiler Arbeitspunkt auch bei großen Schwankungen der Brennspannung der Kaltkathodenlampe ergibt, – daß bei Netzbetrieb vorzugsweise vor den Halbbrückenwechselrichter (21) ein Hochsetzsteller (22) – auch als Boost oder Step-Up Converter bezeichnet – eingesetzt wird, wobei eine dem Lampenstrom proportionale Regelspannung UR über einen im Hochspannungskreis liegenden Widerstand (14) abgegriffen und dem Hochsetzsteller zugeführt wird.
2. Elektronisches Vorschaltgerät für Kaltkathodenlampen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als Pulsweitenregler im Hochsetzsteller die CMOS-Variante der bekannten 555er-Timerschaltkreise verwendet wird (z.B LMC555).
3. Elektronisches Vorschaltgerät für Kaltkathodenlampen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß an die Hochspannungswicklung (54) des Hochspannungstransformators (5) mehrere Kaltkathodenlampen (13, 15) über Koppelkondensatoren (12, 16) angeschlossen werden.
4. Elektronisches Vorschaltgerät für Kaltkathodenlampen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zwei Hochspannungstransformatoren (5, 6) primärseitig parallelgeschaltet und so gepolt werden, daß die Spannungen an den Hochspannungsanschlüssen der beiden Trafos entgegengesetzte Polarität in Bezug auf Massepotential haben, so daß die Spannung zwischen diesen beiden Hochspannungsanschlüssen so groß ist, daß zwei in Serie geschaltete Kaltkathodenlampen (13, 15) über ein oder zwei Koppelkondensatoren (13, 15} angeschlossen werden können.
5. Elektronisches Vorschaltgerät für Kaltkathodenlampen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zwei Hochspannungstransformatoren (5, 6) primärseitig in Serie geschaltet und so gepolt werden, daß die Spannungen an den Hochspannungsanschlüssen der beiden Trafos entgegengesetzte Polarität in Bezug auf Massepotential haben, so daß die Spannung zwischen diesen beiden Hochspannungsanschlüssen so groß ist, daß zwei in Serie geschaltete Kaltkathodenlampen (13, 15) über ein oder zwei Koppelkondensatoren (13, 15) angeschlossen werden können.
6. Elektronisches Vorschaltgerät für Kaltkathodenlampen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als Halbrückentransistoren (1 , 2) MOS-Transistoren eingesetzt werden, wobei die Spannung der Steuerwicklungen (51 , 52), die Emitterwiderstände (7, 8) und das Ansteuernetzwerk (3 , 4) an die Parameter des MOS-Transistors angepaßt werden müssen.
7. Elektronisches Vorschaltgerät für Kaltkathodenlampen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, – daß die Spannung der Steuerwicklungen (51, 52} vorzugsweise im Bereich von ca. 2Veff bis 6Veff liegt, – daß das Ansteuernetzwerk (3 , 4) bei Verwendung von Transistoren mit einer Storage Time von z.B. 1..2us aus einer Parallelschaltung eines Widerstandes (31 ,41) und einer Diode (32 , 42) besteht und der Widerstand (31, 41) vorzugsweise im Bereich von 100 Ohm bis 1,5kOhm liegt, wobei die Diode die Aufgabe hat, die Ausschaltverzögerung zu verringern, da über die Diode die Basisladung schneller abfließen kann, – daß die Emitterwiderstände (7, 8) bei einer Lampenleistung von SW bis 10W vorzugsweise im Bereich von 10 Ohm bis 100 Ohm liegen.