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Die Erfindung betrifft eine Vorheizschaltung für Entladungslampen
wie Energiesparlampen und dergleichen, wobei eine Heizspannungsquelle
vorgesehen ist und ein Heizstrom, der die Elektroden der Lampe durchfließt und diese
erwärmt.
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Entladungslampen werden durch eine
an den Elektroden anliegende Wechselspannung betrieben, wobei zwischen
den Elektroden ein Lichtbogen entsteht beziehungsweise die Entladung
stattfindet. Ein in dem Lampenkolben vorgesehenes Gas wird durch
diesen Lichtbogen ionisiert, wobei die ionisierten Elektronen entweder
ein zweites Gas oder eine auf dem Lampenkolben aufgebrachte Leuchtstoffschicht
zum Leuchten anregen.
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Um eine derartige Entladungslampe
zu starten, ist eine hohe Zündspannung,
beispielsweise ca. 600 V, notwendig, wobei hier bei jedem Start
Teile des Elektrodenmaterials der Elektrode verdampfen und die Entladungslampe
nach wenigen (wenige 1.000) Schaltzyklen bereits defekt ist.
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Um eine derartige Zündspannung
zu senken ist vorgesehen, die Elektroden der Entladungslampe vorzuheizen.
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Üblicherweise
werden die Elektroden der Entladungslampe durch einen für den Betrieb
mit Gleichstrom vorgesehenen Schaltwandler mit Wechselspannung beheizt.
Dieses Verfahren stellt eine große Belastung für den Schaltwandler
dar und es ist auch recht schwierig auf diese Weise den Vorheizstrom
richtig zu dimensionieren. Für
diese Art der Beheizung wird ein Relais benötigt, welches in der Lage sein
muß, sehr
hohe Spannungen abschalten zu können.
Dies bedeutet, daß entweder
ein sehr teures Relais Verwendung findet oder preiswertere Relais, die
nur eine sehr begrenzte Lebensdauer haben. Die Verwendung eines
Relais wirkt sich auch ungünstig für ein elektronisches
Vorschaltgerät
aus, da seine Spule ständig
mit Strom versorgt werden muß.
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Eine weitere Möglichkeit die Elektroden der Entladungslampe
vorzuheizen besteht darin, die Elektroden ständig zu beheizen, wobei jedoch
während
des normalen Betriebs eine ständige
Verlustleistung an den Elektroden anliegt. Durch diese ständige Übertemperatur
wird der Verschleiß der
Entladungslampe erhöht.
Um den Vorheizstrom zu begrenzen ist vorgesehen, parallel zur Lampe
einen Kondensator zu schalten, jedoch besteht dann der Nachteil,
daß bei
jedem Null-Durchgang des Stroms auch ein Strom durch den Kondensator
fließt,
was sich wiederum negativ auf die Belastung der Elektrode auswirkt.
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Des Weiteren kann ein Glimmstarter
vorgesehen sein, der die Vorheizung und Zündung der Röhre steuert. Ein solcher Starter
funktioniert nur bei klassischen, netzbetriebenen Vorschaltgeräten, die an
niederfrequenter Wechselspannung betrieben werden und über eine
Drosselspule zur Strombegrenzung verfügen. Für ein elektronisches Vorschaltgerät ist ein
solcher Starter nicht verwendbar.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung
eine möglichst
einfache Vorheizschaltung für
Entladungslampen zur Verfügung
zu stellen.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß für die Vorheizung
der Entladungslampe ein eigener Schaltkreis vorgesehen ist, der
mit einer Gleichspannungsquelle als Heizspannungsquelle versorgt
wird.
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Der Vorteil einer derartigen Lösung liegt
darin, daß für den Betrieb
des Vorheizschaltkreises die gleiche Spannungsquelle verwendet werden
kann wie für
den Betrieb eines Schaltwandlers, der die Gleichspannung in eine
für den
Betrieb der Entladungslampe notwendige Wechselspannung umwandelt.
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Eine Vorheizung kann in einer erfindungsgemäßen Variante
jedoch auch in ein Vorschaltgerät
für den
Betrieb von Entladungslampen eingesetzt werden, deren Spannungsquelle
einen Wechselstrom erzeugt. Hier wird für das Vorheizen jedoch eine
eigene Gleichstromquelle benötigt,
wie beispielsweise eine Batterie oder einen gleichgerichteten Wechselstrom. In
diesem Vorheizstrom ist ein Schalter vorgesehen, mit dem das Vorheizen
der Elektroden eingeleitet beziehungsweise unterbrochen werden kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung ist ein Schalter für
die Vorheizschaltung vorgesehen. Dieser Schalter dient dazu die
Heizspannungsquelle, nachdem eine entsprechende Elektrodentemperatur
erreicht ist, abzuschalten. Günstigerweise
wird der Schalter dabei so ausgelegt, daß er auch gleichzeitig für das Anschalten
der Betriebsspannung beziehungsweise Zündspannung an den Elektroden
dient.
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Dieser Schalter für den Vorheizstromkreis wird
insbesondere von einem Zeitglied zum Beispiel mit einem Schwellwertschalter
angesteuert. Es ließen
sich jedoch auch andere Steuerungen zum Schalten dieses Schalters
verwenden, die jedoch hier nicht beschrieben werden. Der Vorteil
der Erfindung ist dabei, daß die
Heizspannungsquelle unabhängig
von dem Vorschaltgerät
beziehungsweise dem Schaltwandler der Entladungslampe ist.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen,
als Schalter einen Transistor, insbesondere einen Bipolartransistor
einzusetzen, der zu einer kostengünstigen Realisierung führt. Gleichzeitig
erhöht
der Einsatz eines Bipolartransistors die Lebensdauer der Schaltung
und der Lampe, da ein Transistor mehr Schaltzyklen aushält als beispielsweise
ein Relais.
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Nach Abschalten der Vorheizung benötigt der
zugehörige
Schaltkreis keine Leistung mehr, wodurch der Wirkungsgrad des genannten
elektronischen Vorschaltgerätes
erhöht
wird. Die Vorheizung kann durch den Transistor wegen der sehr hohen Flankensteilheit
sehr schnell abgeschaltet werden, weshalb keine Lichtbögen, wie
sie bei einem Relais erzeugt werden würden, entstehen. Durch den
sehr schnellen Umschaltvorgang von Vorheiz- auf Zündbetrieb
wird das Zündverhalten
der Lampe verbessert. Die Lampe zündet schon bei einer geringen
Betriebsspannung und auch bei sehr niedrigen Temperaturen zuverlässig. Der
konstante Gleichstrom schont die Heizwendeln bei der Vorheizung.
Stromspitzen würden
die Verdampfung des Elektrodenmaterials begünstigen und dadurch zu schnellerer
Alterung der Vorheizwendeln führen
beziehungs weise zu einem früheren
Ausfall der Lampe. Die Verdampfung des Elektrodenmaterials ist proportional
zum maximalen Strom.
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Die beiden Elektroden der Lampe in
der Vorheizschaltung sind zueinander parallel geschaltet, so daß an beiden
Vorheizwendeln die gleiche Spannung anliegt. Bei gleichartigen Vorheizwendeln
fließt
in beiden auch der gleiche Strom. Die Elektroden wirken in diesem
Fall als Widerstände
und werden durch den durch sie hindurchfließenden Strom aufgeheizt. Durch
den ohm'schen Widerstand
der Vorheizwendeln wird der Strom sowie die an ihnen anliegende Spannung
bestimmt. Diese Spannung ergibt sich aus der Betriebsspannung des
Vorschaltgerätes
abzüglich
der Spannungen, die über
Dioden, angeordnet in Stromflußrichtung
vor und nach jeder Elektrode, vorgesehen sind, und über den
Schalttransistor abfallen.
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Nach Ablauf einer entsprechenden
Zeit wird der Vorheizstrom durch den Schalter abgestellt, wodurch
ebenfalls eine entsprechende Strombegrenzung möglich ist. Ein Überhitzen
wird damit zuverlässig
vermieden. Dabei können
entsprechende Stromüberwachungsschaltungen
ebenfalls eingesetzt werden.
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Für
den Betrieb dieser Vorheizschaltung wird nicht nur ein gleichförmiger Gleichstrom
verwendet, wie er beispielsweise von einer Batterie zur Verfügung gestellt
wird, sondern eventuell auch ein gepulster Gleichstrom. Günstigerweise
wird dabei die Batterie von einem Solarmodul tagsüber geladen.
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Wie bereits erwähnt, ist für den Betrieb der Entladungslampe
ein Wechselstrom notwendig, der durch einen Schaltwandler im elektronischen
Vorschaltgerät
der ebenfalls erfindungsgemäßen Entladungslampe
erzeugt und auf den Sekundärschaltkreis
des Transformators induziert wird. Die Vorheizschaltung wird dabei
in den Sekundärschaltkreis
des Transformators "zwischengeschaltet". Die Heizspannungsquelle
wird zwischen zwei jeweils in Flußrichtung gepolte Dioden eingeschaltet,
der Heizstrom fließt über die
Diode, die Elektrode sowie einer weiteren, in Flußrichtung
geschalteten Diode über
den Schalter zur Masse. Dabei sind die beiden Elektroden der Lampe
in der Vorheizschaltung parallel geschaltet. Vor und nach der Elektrode
ist jeweils eine in Stromflußrichtung
geschaltete Diode vorgesehen. Gleichzeitig ist die Elektrode auch
am Sekundärschwingkreis
des Transformators über
einen entsprechenden Knotenpunkt verbunden. Im Zusammenspiel mit
dem Schalter wird somit eine einfache und sehr effektive Vorheizschaltung
realisiert, die insbesondere auch bei hochfrequent betriebenen Schaltwandlern
entsprechender Entladungslampen einsetzbar ist, wobei solche Schaltwandler
typischerweise im kHz-Bereich und darüber betrieben werden.
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Zusätzlich ist an dem Vorheizschaltkreis
ein Kondensator zwischen einer Elektrode und der Sekundärspule vorgesehen,
der mit der Sekundärspule des
Transformators einen Schwingkreis aufbaut, und den Vorteil hat,
den vom Vorheizstromkreis kommenden Gleichstrom zu blockieren, so
daß an
der Sekundärwicklung
des Transformators keine Gleichspannung anliegt.
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Während
der Vorheizphase ist der Sekundärstromkreis
des Transformators zur Masse kurzgeschlossen, während nach Abschalten der Vorheizphase
der Stromfluß nur
durch die Entladungslampe erfolgt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung ist vorgesehen, daß die Steuerung einen Treiber
aufweist und der Treiber auf den Transistor wirkt. Erfindungsgemäß wird dabei
zum Beispiel vorgeschlagen, einen Operationsverstärker einzusetzen.
Alternativ ist vorgesehen, Schaltungen oder Anordnungen einzusetzen,
die Operationsverstärker einsetzen.
Hierzu zählen
zum Beispiel Schwellwertschalter (zum Beispiel Schmitt-Trigger),
Differenzverstärker
oder Komparatoren. Diese Elemente werden dabei alternativ als integrierte
Schaltungen oder als auf Operationsverstärkern aufbauende Anordnungen,
zum Beispiel mit externen Bauteilen wie Widerständen, Spannungsteilen und so
weiter im Rahmen der Erfindung eingesetzt. Der Operationsverstärker beziehungsweise
Anordnungen mit Operationsverstärkern
zeichnen sich durch sehr steiles Schaltverhalten aus, wodurch der
Schaltversatz beim Null-Durchgang deutlich reduziert wird. Ein weiterer Vorteil
des Einsatzes von Operationsverstärkern liegt darin, daß diese
Bauteile einen großen
Eingangswiderstand und einen kleinen Ausgangswiderstand besitzen.
Die Schaltvorgänge
können
daher mit geringen Verlusten durchgeführt werden, was zum einen den
Energieverbauch der Schaltung günstig
beeinflußt
und zum anderen ansonsten notwendigen Aufwand für Kühlung (bei ansonsten hohen
Verlustleistungen) einspart.
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Für
den Betrieb von beispielsweise einer Entladungslampe mit Gleichstrom
ist ein Schaltwandler notwendig. Bei diesem Schaltwandler handelt
es sich um einen Resonanzgegentaktwandler, wobei zwei Transistoren
abwechselnd geschaltet sind und die Primärspule eines Transformators
abwechselnd in gegensinniger Richtung mit Strom versorgen. Der Einsatz
dieses erfindungsgemäßen Schaltwandlers
ist aber nicht auf den Betrieb von Entladungslampen beschränkt. Es
soll auch für
andere Einsatzzwecke eingesetzt werden.
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Erfindungsgemäß ist die Wicklung der Primärspule unterteilt
und gegensinnig gewickelt, das heißt, die Primärspule des
Transformators besteht aus zwei Spulen oder Primärwicklungen, wobei die Stromflußzuleitung
von der Gleichspannungsquelle aus zwischen beiden Spulen angeordnet
ist.
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Über
ein Filterelement, das gegebenenfalls aus einem Tiefpass und einer
Verpolschutzschaltung besteht, wird der Gleichstrom der Primärspule des Transformators
zugeführt.
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Die Tiefpaßschaltung dient dazu vom Schaltwandler
produzierte Störungen
zu filtern. Diese Störungen
entstehen dadurch, daß der
Schaltwandler mit abwechselnd geschalteten Strömen arbeitet und sie bestehen
aus kleinen Wechselspannungsanteilen, die die versorgende Gleichspannung überlagern. Diese
Tiefpaßschaltung
verbessert somit die elektromagnetische Verträglichkeit der gesamten Schaltung.
Ausgangsseitig des Filters steht eine Gleichspannung, gegebenenfalls
eine niederfrequent gepulste Gleichspannung zur Verfügung.
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Mittels einer Steuerung wird erreicht,
daß abwechselnd
einmal die erste Primärspule
und anschließend
die zweite Primärspule
mit Strom durchflossen wird, so daß am Magnetkern eine wechselnde
Magnetisierung erzielt wird, die auf die Sekundärspule eine Wechselspannung
induziert.
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Erfindungsgemäß erfolgt das Steuern dieses Gleichstroms
mit Feldeffekttransistoren, die gegenüber den bisher bekannten Bipolartransistoren
den Vorteil haben, daß der
Wirkungsgrad erhöht
ist und daß weniger
Wärme produziert
wird. Die Bipolartransistoren wurden bisher von einer Steuerspule
auf der Wicklung des Transformators gesteuert. Feldeffekttransistoren
brauchen zwar nur einen vergleichsweise kleinen Stromimpuls zur
Ansteuerung jedoch eine relativ hohe Ansteuerspannung (Gate-Spannung). Da die
Steuerwicklung auf dem Transformator nur eine sinusförmige Spannung
liefern kann, könnten die
Gates der Feldeffekttransistoren nicht direkt an die Steuerwicklung
angeschlossen werden, da sie mit dieser relativ flach ansteigenden
Spannung nur langsam durchschalten.
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Um die Heizleistung von Bipolartransistoren zu
vermindern, könnte
man einen Treiber verwenden. Wenn man jedoch bereits zu diesem Zweck
einen Treiber verwenden muß,
kann man auch gleich Feldeffekttransistoren damit betreiben.
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Es hat sich als sehr vorteilhaft
herausgestellt, daß als Treiber
für diese
Feldeffekttransistoren einfache Operationsverstärker verwendet werden können.
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Die Vorteile dieser mittels Operationsverstärkern betriebenen
Feldeffekttransistoren liegen darin, daß eine deutliche Verringerung
der Verlustleistung und ein geringer Schaltversatz beim Null-Durchgang vorliegt.
Der Vorheiztimer und der Transistortreiber können mit einem einzigen Vier-Fach-Operationsverstärker (das
heißt,
vier Operationsverstärker
in einem Gehäuse)
realisiert werden und es gibt keine heizenden Widerstände mehr.
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Die Kriterien für die Operationsverstärker liegen
in einer hohen Geschwindigkeit, einem großen Ausgangsstrom (ca. 30 mA)
und einen niedrigen Preis.
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Die Ausgangsleitung eines ersten
Operationsverstärkers
ist mit dem Gate-Anschluß eines Feldeffekttransistors
verbunden und der Ausgang eines zweiten Operationsverstärkers mit
dem Gate-Anschluß des zweiten
Feldeffekttransistors, so daß bei wechselnder
Beschaltung der Operationsverstärker mal
der eine und mal der andere Feldeffekttransistor durchschaltet.
Die Operationsverstärker
werden von einer Steuerspule geschaltet, die von der Sekundärspule des
Transformators getaktet wird. Die Steuerspule ist mit den invertierenden
und nicht invertierenden Eingängen
des Operationsverstärkers
verbunden, wobei der N-Eingang
des ersten Operationsverstärkers
mit dem P-Eingang des zweiten Operationsverstärkers kurzgeschlossen ist.
An dem P-Eingang des
ersten Operationsverstärkers
beziehungsweise dem N-Eingang
des zweiten Operationsverstärkers liegt
ein konstantes Potential aus einer Referenzspannungsquelle an, mit
der die zweite Zuleitung der Steuerspule ebenfalls verbunden ist.
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An dem N-Eingang des ersten Operationsverstärkers beziehungsweise
dem P-Eingang des zweiten Operationsverstärkers liegt eine in der Steuerspule
induzierte Steuerspannung an.
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Die Steuerspule koppelt die Steuerfrequenz des
Transformators beziehungsweise die Frequenz des Sekundärschwingkreises
des Transformators auf den Treiber, der die Transistoren wiederum
schaltet.
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Die Steuerspule befindet sich wie
die Sekundärspule
und die Primärspulen,
zusammen auf einen Kern des Transformators. Sie umfaßt nur wenige Windungen,
da für
das Steuern der Operationsverstärker
nur eine geringe Spannung notwendig ist.
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Bei einem Kaltstart der Entladungslampe
treten starke Spannungssprünge
auf, die sich auf der Primär-
und Sekundärseite
des Transformators bemerkbar machen. Mitunter können auf der Primärseite Spannungsspitze
von mehreren 100 V auftreten. Hiergegen ist vorgesehen, Schwingkreiskondensatoren
parallel zu den Feldeffekttransistoren zu schalten, deren Verbindungsstelle
an Masse liegt. So liegt über
der Drain-Source-Strecke der Feldeffekttransistoren jeweils ein
Kondensator der verhindert, daß dort
die Spannung sprunghaft ansteigt. Die Transistoren schalten erst
dann, wenn der ihnen parallel geschaltete Kondensator entladen ist.
Die Spannungspitzen treten dann nicht mehr auf. Die Kondensatoren sind
quasi Snubber- und Schwingkreiskondensatoren in einem. Auf diese
Weise wird unter anderem erreicht, daß die Schaltung kurzschlußsicher
ist.
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Die Eingangsdrossel hat die Aufgabe,
den Strom, der in die Primärwicklungen
des Transformators eingespeist werden soll, möglichst konstant zu halten.
Eine Drosselspule ist recht stromträge, das heißt, wenn sich die Spannung
stark ändert, ändert sich
der Strom jedoch nur gering. Die an der Drosselspule anliegende
stark wechselnde Spannung wirkt sich somit auf den Eingangsstrom
des Transformators kaum aus. Es liegt eingangsseitig nur eine gewisse
Welligkeit des Stroms vor, welche jedoch mittels des Eingangsfilters
der Tiefpaßschaltung
herausgefiltert wird. Je höher
die Induktivität
der Drossel ist, desto geringer ist die Welligkeit des Stroms.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand
einer Zeichnung näher
beschrieben.
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Es zeigen:
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1 das
Schaltbild des Schaltwandlers nach der Erfindung;
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2 das
Schaltbild einer Vorheizschaltung nach der Erfindung und
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3 eine
Komplettschaltung einer erfindungsgemäßen Entladungslampe mit Vorheizschaltung
und Schaltwandler.
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Der in 3 dargestellte
Schaltwandler 1 soll einen zum Beispiel aus einer Batterie
zur Verfügung
gestellten Gleichstrom in einen für den Betrieb einer Entladungslampe 2 notwendigen
Wechselstrom umwandeln. Die Batterie wird dabei zum Beispiel durch
Solarzellen geladen. Zu diesem Zweck ist ein Transformator 3 vorgesehen,
an dessen Primärspulen 4, 5 alternierend
Spannung angelegt wird, so daß sich
im Stromkreis 10 zwischen Sekundärspule 6 und Elektroden 7, 8 der
Entladungslampe 2 ein Wechselspannungsfeld aufbaut.
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Zwischen einer Elektrode 7 und
der Sekundärwicklung 6 ist
ein Kondensator 9 zwischengeschaltet. Der Kondensator 9 und
die Induktivität
der Sekundärwicklung 6 bilden
einen Sekundärschwingkreis.
Je größer die
Last auf der Sekundärseite
ist, desto mehr bestimmt der Sekundärkreis die Taktfrequenz des
Wandlers. Über
die Steuerspule 18 wird diese Taktfrequenz auf die Primärseite zurückgegeben
beziehungsweise zurückgekoppelt.
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Durch die Kapazität des Kondensators 9 wird der
Lampenstrom eingestellt. Zwischen den Anforderungen des Lampenstroms
und der Frequenz ist ein entsprechender Kompromiß zu finden.
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Das Wechselspannungsfeld zwischen
den Elektroden 7, 8 der Entladungslampe 2 führt zur
Bildung eines Lichtbogens, der ein in dem Lampenkolben 11 enthaltenes
Gas ionisiert und ein im Kolben 11 enthaltenes weiteres
Gas oder eine an der Kolbenwandung aufgebrachte Leuchtstoffschicht
zum Leuchten anregt.
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Die Umwandlung eines gleichförmigen oder welligen
Gleichstromes in einen Wechselstrom erfolgt durch den Einsatz zweier
Transistoren, die in Gegenphase derart geschaltet sind, daß an der
Primärseite
des Transformators periodisch alternierend unterschiedliche Stromflüsse anliegen
und so ein Magnetfeld mit periodisch wechselnder Orientierung entsteht,
welches zur Induktion einer Wechselspannung auf der Sekundärseite führt.
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An einer Gleichspannungsquelle 25 (die
zum Beispiel eine Batterie oder dergleichen sein kann) ist zunächst eine
Filtergruppe 12 vorgesehen. Die Filtergruppe umfaßt gegebenenfalls
einen Tiefpaß und eine
Verpolschutzschaltung. Die Tiefpaßschaltung dient dazu, vom
Schaltwandler produzierte Störungen
zu filtern. Diese Störungen
entstehen dadurch, daß der
Schaltwandler mit abwechselnd geschalteten Strömen arbeitet und sie bestehen
aus kleinen Wechselspannungsanteilen, die die versorgende Gleichspannung überlagern.
Diese Tiefpaßschaltung verbessert
somit die elektromagnetische Verträglichkeit der gesamten Schaltung.
Ausgangsseitig des Filters steht eine Gleichspannung, gegebenenfalls
eine niederfrequent gepulste Gleichspannung zur Verfügung. Diese
Gleichspannung wird über
die Drossel 17 auf die Primärspule des Transformators 1 gegeben.
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Die Primärwicklung des Transformators 3 ist aufgeteilt
in zwei Primärspulen 4, 5 und
einen Mittenanschluß, über welchen
der Spulenstrom von dem Filter 12 herangeleitet wird. Dadurch,
daß sich
die Stromführung
zwischen den einzelnen Primärspulen 4, 5 verzweigt,
und die Primärspulen 4, 5 abwechselnd
geschaltet sind, wechselt die Polarität des magnetischen Feldes des
Kerns des Transformators 3. Den Spulen 4, 5 nachgeschaltet
ist jeweils ein Kondensator 13, 14, wobei die
Kondensatoren 13, 14 zusammen mit den Primärspulen 4, 5 einen
Schwingkreis bilden. Die Kondensatoren 13, 14 sind
dabei parallel zur Drain-Source-Strecke
der Feldeffekttransistoren 15, 16 geschaltet.
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Bei einer Halbwelle der Schwingung
eines gepulsten Gleichstromes schaltet beispielsweise der Feldeffekttransistor 15 durch,
das heißt,
er ist leitend und überbrückt damit
den Kondensator 13. Der Kondensator 13 ist jetzt
strom- und spannungslos. Es ist zu diesem Zeitpunkt nicht aktiv.
In der nächsten
Halbwelle der Schwingung sperrt der Feldeffekttransistor 15 und
der Kondensator 13 arbeitet. Für die Kombination aus den Elementen 14, 16 gilt
das gleiche, nur um 180° phasenversetzt.
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Zu jedem Zeitpunkt ist einer der
beiden Kondensatoren 13, 14 parallel zur gesamten
Primärspule 4, 5 geschaltet.
Die Resonanzfrequenz des Primärkreises
alleine ergibt sich aus der Kapazität eines Kondensators und beider
Primärspulen.
Die Belastung der Kondensatoren 13, 14 verteilt
sich, bei gleicher Kapazität
der Kondensatoren 13, 14, zu gleichen Teilen.
Die Belastung der einzelnen Bauteile wird dadurch reduziert.
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Die Feldeffekttransistor 15, 16 dienen
dazu, den Stromfluß durch
die Primärspule 4, 5 mal
in die eine, mal in die andere Richtung zu verstärken.
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Die Feldeffekttransistoren 15, 16 dieser Schwingkreise
sind abwechselnd (gegenphasig) getaktet und bewirken, daß zum einen
die erste Primärspule 4 und
zum anderen die zweite Primärspule 5 mit
Strom beaufschlagt werden. Durch Anordnung der Primär spulen 4, 5 in
gegensätzliche
Richtungen baut sich im Kern des Transformators 3 ein wechselndes
Magnetfeld auf, wodurch in der Sekundärspule und dadurch im Sekundärstromkreis
eine Wechselspannung entsteht.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt,
die Primärspule
durch gegensätzliche
Wickelsinne zu unterteilen, so daß der Kern des Transformators
für beide
Magnetisierungsrichtungen genutzt werden kann. Dadurch wird der
Transformator 3 wesentlich besser ausgenutzt als bei Schaltwandlern,
die den Kern nur in eine Richtung aussteuern.
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Der von der Gleichspannungsquelle 25 kommende
Gleichstrom versorgt beide Primärspulen 4, 5 des
Transformators 3, wobei durch die abwechselnde Durchschaltung
der Feldeffekttransistoren 15, 16 der Strom einmal
durch die eine Primärspule 4 des Transformators 3 und
mal durch die andere Primärspule 5 des
Transformators 3 geleitet wird. Dies erzeugt an der Sekundärspule 6 des
Transformators 3 die gewünschte Wechselspannung, die
für den
Betrieb einer Entladungslampe 2 genutzt werden kann. Gleichzeitig
wird durch den Transformator 3 die Spannung entsprechend
dem Windungszahlenverhältnises
von Sekundär-
und Primärseite
derart erhöht,
daß die
Lampe mit einer entsprechenden Spannung zuverlässig betrieben werden kann.
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Die Drossel 17 begrenzt
die Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms auf der Primärseite des Transformators 3,
wodurch er weitgehend konstant gehalten wird.
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Zusätzlich zu den Primär- und Sekundärwicklungen 4, 5, 6 auf
dem Kern des Transformators 3 ist eine Steuerwicklung 18 vorgesehen,
die dafür zuständig ist,
daß die
Feldeffekttransistoren 15, 16 beim Null-Durchgang
der Schwingung entsprechend gegenphasig umgeschaltet werden.
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Die Referenzspannungsquelle 33,
die ebenfalls von der Gleichspannungsquelle 25 versorgt wird,
legt auf den P-Eingang eines ersten Operationsverstärkers 20 und
auf den N-Eingang eines zweiten Operationsverstärkers 21 je eine Referenzspannung;
auf den jeweils anderen Anschluß wird
die von der Steuerspule 18 aufgenommene Spannung auf den
jeweils anderen Anschluß (N-Anschluß bei dem
ersten Operationsverstärker 20 und
P-Anschluß bei
dem zweiten Operationsverstärker 21)
gelegt. Die Ausgänge
der Operationsverstärker 20, 21 wirken auf
den Gate-Anschluß der
Feldeffekttransistoren 15, 16. Die Anordnung der
beiden Operationsverstärker erfolgt
dabei gegenphasig derart, daß wenn
der erste Feldeffekttransistor geöffnet ist, der jeweils andere sperrt.
Dadurch würde,
wären die
Kondensatoren 13, 14 nicht vorhanden, dem Spulenstrom
entweder die Möglichkeit
gegeben, über
die Spule 4 (wenn der Feldeffekttransistor 15 durchgeschaltet
ist) oder über die
Spule 5 (wenn der Feldeffekttransistor 16 durchgeschaltet
ist) den Spulenstrom, der zwischen den beiden Teilspulen 4 beziehungsweise 5 der
Primärseite
des Transformators 3 eingeprägt ist, zu leiten und so ein
jeweils gegensinnig orientiertes Magnetfeld in dem Transformator
auszubilden. Dadurch daß den
Feldeffekttransistoren 15, 16 die Kondensatoren 13, 14 parallel
geschaltet sind, wie bereits beschrieben worden ist, bildet sich
zwischen der Primärspule 4, 5 und
den Kondensatoren 13, 14 einerseits und der Spule 5 und
dem Kondensator 14 andererseits dabei ein Schwingkreis
aus. In diesem Schwingkreis pendelt die Energie ständig zwischen
Kondensator 13 und Primärspule 4, 5 und
Primärspule 4, 5 und Kondenstaor 14 hin
und her, so daß in
den beiden Primärspulen 4, 5 ständig Strom
fließt.
Dieser Strom wird dann etwas größer, wenn
der entsprechende Feldeffekttransistor 15, 16 durchschaltet.
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Für
das Anschwingen der Schaltung ist der Startwiderstand 39 vorgesehen,
der eine Verbindung herstellt zwischen der Betriebsspannungsleitung
eines Operationsverstärkers 20 und
der Ausgangsleitung dieses Operationsverstärkers 20 (der mit
dem Gate-Anschluß des
Feldeffekttransistors 15 verbunden ist). Hierdurch wird
eine gewisse Asymmetrie in die Schaltung eingeprägt, wodurch die Schaltung anzuschwingen
vermag.
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Je größer die Last auf der Sekundärseite des Transformators 3 ist,
desto mehr bestimmt der Sekundärkreis
die Taktfrequenz des Wandlers 1. Wenn der Wandler 1 die
Lampe 2 betreibt, taktet der Wandler 1 mit der
Resonanzfrequenz des Sekundärstromkreises 10.
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Bisher wurden derartige Schaltungen
mit Bipolartransistoren gesteuert, da es bisher nicht möglich war,
diese Art von Schaltwandlern mit effizienten Feldeffekttransistoren 15, 16 zu
betreiben. Geeignete Feldeffekttransistoren 15, 16 benötigten zum
Betrieb eine zusätzliche
Steuerschaltung oder Treiber, die in der Erfindung durch den Einsatz
von Operationsverstärkern
gelöst
wurde. Feldeffekttransistoren als Schaltelemente einzusetzen, erhöht den Wirkungsgrad – es wird
weniger Wärme
produziert, und Kühlkörper können somit
eingespart werden.
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Als Feldeffekttransistoren sind in
diesem Ausführungsbeispiel
eines Schaltwandlers 1 Metal-Oxide-Semiconductor-Feldeffekttransistoren (MOS-FET)
vorgesehen, insbesondere ein "Enhancement"-FET, der selbstsperrend
ist, das heißt
erst bei definierter Spannung durchschaltet.
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Erfindungsgemäß sind zur Ansteuerung dieser
Feldeffekttransistoren einfache Operationsverstärker 20 vorgesehen,
die bereits bei relativ geringer Spannung den Feldeffekttransistor 15, 16 durchschalten.
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Zusätzlich sind in dem Schaltkreis
Dioden 22 und 23 vorgesehen. Die Diode 22 befindet
sich dabei in Flußrichtung
gepolt an der Ausgangsleitung des ersten Operationsverstärkers 20 und
verbindet diese mit dem Kondensator 14, der Teil des zu
dem zweiten Feldeffektransistor 16 gehörenden Teiles des Primärschwingkreises
ist. Die andere Diode 23 verbindet in analoger Weise die
Ausgangsleitung des zweiten Operationsverstärkers 21 mit dem Kondensator 13 sowie
der Drain-Zuleitung des ersten Feldeffekttransistors 15.
Die Dioden 22, 23 verbessern den Umschaltvorgang
derart, daß für beide
Feldeffekttransistoren ein leistungsschwacher Operationsverstärker 20 als
Treiber ausreicht. Die Anordnung der Dioden 22, 23 ist
derart, daß sie
den vom Treiber 20 kommenden Strom, der den ersten Feldeffektransistor 15 durchgängig schaltet, über die
zweite Primärspule 5 und
erste Primärspule 4 auf
den DRAIN-Anschluß des
ersten Feldeffekttransistors 15 leitet. Der gleiche Effekt
wird mit der Diode 23 bei dem zweiten Primärstromkreis
des Schaltwandlers 1 erzielt. Die Anordnung ist insofern
symmetrisch.
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Der Kondensator 9 des Sekundärstromkreises
hat die Funktion, den Strom durch die Entladungslampe 2 zu
begrenzen, die Taktfrequenz des Schaltwandlers 1 mitzubestimmen
und den Schaltwandler und Vorheizkreis 24 galvanisch zu
trennen. Der Kondensator 9 dient als Kurzschlußschutz
der Sekundärseite
und bildet mit der Induktivität
der Wicklung 6 der Sekundärseite des Transformators den
Sekundärschwingkreis.
Die sich hieraus bildende Resonanzfrequenz wird als Taktfrequenz über die Steuerspule 18 auf
der Primärseite
wieder eingeprägt
beziehungsweise zurückgekoppelt.
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2 zeigt
einen Vorheizschaltkreis 24 zum Vorheizen der Elektroden 7, 8 der
Entladungslampe 2, um die Zündspannung für die Entladungslampe 2 zu
verringern. Dieser Vorheizschaltkreis wird ebenso von einer Gleichspannungsquelle 25 gespeist.
Als Gleichspannungsquelle 25 kann die zum Betrieb des Schaltwandlers
dienende, gleichförmige
bzw. gepulste Spannungsquelle verwendet werden. Ein Schalter 26 dient
dazu, den Stromkreis zu schließen.
Der Vorheizstrom fließt
von der Gleichspannungsquelle 25 über Dioden 27, 28,
nach denen jeweils die Elektro den 7, 8 angeordnet
sind, nach Masse 31. Auf diese Weise wirken die Elektroden
als Widerstände
und werden aufgeheizt.
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Den Elektroden 7, 8 nachgeschaltet,
in Reihe zwischen Elektrode 7 und Masse 31 bzw.
Elektrode 8 und Masse 31, sind weitere Dioden 29, 30 vorgesehen,
die den Stromfluß des
Vorheizschaltkreises 24 zur Masse 31 nicht behindern.
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Während
des Vorheizvorganges ist der die Lampe 2 versorgende Schaltwandler 1 ausgangsseitig über den
Kondensator 9 kurzgeschlossen, das heißt zwischen der sekundärseitigen
Spule 6 und dem Kondensator 9 entsteht ein Parallel-Schwingkreis
ohne Lastwiderstand. Es wird aus diesem Schwingkreis kein Strom
entnommen. Aus diesem Grund ist der Kurzschluß des Ausgangs des Schaltwandlers
nahezu gleichbedeutend mit dem Leerlauffall. Der Schaltwandler wird
in diesem Fall nicht überlastet.
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Die Schaltung hat die Charakteristik
einer Konstantstromquelle. Bei Kurzschluß ist der Strom auf der Ausgangsseite
nahezu gleich groß wie
im normalen Lastfall. Ist die Kurzschlußspannung Null, ist die resultierende
Leistung ebenfalls Null. Der Sekundärkreis entnimmt dann also keine
Leistung mehr aus dem Transformatorkern. Der Schaltwandler beziehungsweise
die komplette Schaltung muß also kurzschlußfest sein.
Wird der Schalter 26 nach Ablauf der Vorheizzeit gesperrt,
wird der Stromfluß durch
den Vorheizschaltkreis unterbrochen.
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Die als Heizspannungsquelle dienende Gleichspannungsquelle 25 ist
dabei zwischen den beiden in Flußrichtung geschalteten Dioden 27, 28 angeordnet,
die ihrerseits, genauso wie die Sekundärwicklung, mit den Elektroden 7 beziehungsweise 8 verbunden
sind. Der Schwingkreiskondensator 9 dient in diesem Fall
zur Strombegrenzung. Die Heizspannungsquelle ist "zwischengeschaltet". Die Anordnung der
Dioden 27 bis 30 ist dabei derart antiseriell
gewählt,
daß der
sonstige Betrieb der Röhre nicht
beeinträchtigt
ist, insbesondere wenn die Heizung ausgeschaltet ist, das Wechselspannungsfeld zwischen
den Elektroden 7, 8 der Röhre 11 anliegt. Auch
die Ableitung des Heizstromes über
den Schalter 26 erfolgt zwischengeschaltet zwischen den
ausgangsseitig ebenfalls in Fußrichtung
aus angeordneten Dioden 29, 30.
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Als Schalter 26 hat sich
ein einfacher Transistor (Bipolartransistor) als geeignet erwiesen,
der vorteilhafterweise von einem Zeitglied 32 beziehungsweise
einem Schwellwertgeber gesteuert wird. Ist nach einer bestimmten
steuerbaren Zeit eine ausreichende Temperatur an den Elektroden 7, 8 erreicht,
wird der Transistor 26 von dem Schwellwertgeber gesperrt.
Von Vorteil hierbei ist, daß durch
das Trennen des Schalters 26 de facto gleichzeitig mit
einem Unterbrechen der Heizung in den Elektroden 7, 8 gleichzeitig
an diesen das Wechselspannungsfeld anliegt, welches von der Sekundärseite 6 des
Transformators 3 zur Verfügung gestellt wird. Der Vorgang läuft automatisch
ab und bedingt keine zusätzliche zeitliche
Steuerung. Die Zündspannung
wird just in dem Moment angeboten, in welchem die Elektrode nach
dem Aufheizen am heißesten
ist.
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Die 3 zeigt
eine Komplettschaltung, bestehend aus dem Schaltwandler 1,
der mit dem Sekundärstromkreis 10 des
Transformators 3 eine Entladungslampe 2 betreibt,
sowie einem Vorheizschaltkreis zum Vorheizen der Elektroden dieser
Entladungslampe 2. Als Stromquelle für beide Schaltkreise ist die
Gleichspannungsquelle 25 vorgesehen, deren Strom mittels
eines Filters 12 geglättet
wird. Dieser Gleichstrom wird am Anschluß 25 auf den Vorheizschaltkreis 24 des
elektronischen Vorschaltgerätes
der Entladungslampe 2 geleitet. Von dort aus verzweigt
sich der Gleichstrom über
die Dioden 27 und 28 auf die Elektroden 7 und 8 und
wird über
die Dioden 29 und 30 und den Schalter 26,
der den Vorheizschaltkreis öffnet
oder schließt,
zur Masse 31 geleitet.
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Die jetzt mit der Anmeldung und später eingereichten
Ansprüche
sind Versuche zur Formulierung ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Schutzes.
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Sollte sich hier bei näherer Prüfung, insbesondere
auch des einschlägigen
Standes der Technik, ergeben, daß das eine oder andere Merkmal
für das
Ziel der Erfindung zwar günstig,
nicht aber entscheidend wichtig ist, so wird selbstverständlich schon
jetzt eine Formulierung angestrebt, die ein solches Merkmal, insbesondere
im Hauptanspruch, nicht mehr aufweist.
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Die in den abhängigen Ansprüchen angeführten Rückbeziehungen
weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches
durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin. Jedoch sind
diese nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen,
gegenständlichen
Schutzes für
die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen.
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Merkmale, die bislang nur in der
Beschreibung offenbart wurden, können
im Laufe des Verfahrens als von erfindungswesentlicher Bedeutung,
zum Beispiel zur Abgrenzung vom Stand der Technik, beansprucht werden.
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Merkmale, die nur in der Beschreibung
offenbart wurden, oder auch Einzelmerkmale aus Ansprüchen, die
eine Mehrzahl von Merkmalen umfassen, können jederzeit zur Abgrenzung
vom Stande der Technik in den ersten Anspruch übernommen werden, und zwar
auch dann, wenn solche Merkmale im Zusammenhang mit anderen Merkmalen
erwähnt wurden
beziehungsweise im Zusammenhang mit anderen Merkmalen besonders
günstige
Ergebnisse erreichen.