DE2335726A1

DE2335726A1 - Schaltungsanordnung zur speisung von gasentladungseinrichtungen durch eine wechselspannungsquelle

Info

Publication number: DE2335726A1
Application number: DE19732335726
Authority: DE
Inventors: Ronald C Crane
Original assignee: KODON Inc
Current assignee: KODON Inc
Priority date: 1973-07-13
Filing date: 1973-07-13
Publication date: 1975-02-06

Description

13.JuIi 1973 9137-73 Dr.ν.Β/Ε

KODON, Inc.

8 Grove Street, Weliesley, Massachusetts, (V.St.A.)

Schaltungsanordnung zur Speisung von Gasentladungseinrichtungen durch eine Wechselspannungsquelle

Beim Zünden und Betrieb von Gasentladungseinrichtungen, wie Leuchtstofflampen und Quecksilberhochdrucklampen gibt es hauptsächlich zwei Probleme: Erstens benötigen solche Gasentladungseinrichtungen zur Zündung einer Bogenentladung eine Spannung, die verhältnismäßig groß im Vergleich zu der für die Aufrechterhaltung des gezündeten Bogens erforderlichen Spannung ist. Zweitens hat der Bogen eine fallende (negative) Widerstandscharakteristik, so daß der Strom anzusteigen strebt. Man verwendet daher zum Betrieb solcher Gasentladungseinrichtungen im allgemeinen Ohm'sche oder induktive Ballastanordnungen, die eine zur Zündung des Bogens ausreichende Spitzenspannung zu liefern vermögen und nach der Zündung des Bogens den Bogenstrom begrenzen. Solche Ballastanordnungen sind jedoch schwer, platzraubend und teuer in der Herstellung, außerdem verursachen sie erhebliche Leistungsverluste. Schließlich erzeugen sie unerwünschte akustische und elektromagnetische Störungen, wenn sie nicht sehr sorgfältig gefertigt sind«

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Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Speisung von Gasentladungseinrichtungen, wie Leuchtstofflampen und dgl. anzugeben, die die oben geschilderten Nachteile vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Eine Schaltungsanordnung zur Speisung mindestens einer Gasentladungseinrichtung, wie einer Leuchtstoffröhre, enthält also eine Gleichrichteranordnung, die mit Eingangsklemmen gekoppelt ist, an die unmittelbar eine Wechselspannungsquelle anschließbar ist. Die Schaltungsanordnung enthält ferner einen Haupttrans forma tor mit einem Kern aus einem verlustarmen Werkstoff mit linearer Charakteristik, auf den mehrere Wicklungsteile gewickelt sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Haupttransformator ein Spar- oder Autotransformator und seine Hauptwicklung hat zwei Abgriffe. Der eine Abgriff ist mit einer Ausgangsklemme der Gleichrichteranordnung gekoppelt. Die bevorzugte Ausführungsform enthält ferner eine Wechselrichter- oder Inverter schaltung mit zwei Transistoren, deren Emitterelektroden über Ballastwiderstände miteinander verbunden sind. Die Kollektorelektrode des einen Transistors ist mit der einen Klemme der Hauptwicklung des Autotransformators verbunden, während die Kollektorelektrode des anderen Transistors an den zweiten Abgriff angeschlossen ist. Ferner ist ein Steuertransformator mit einem sättigbaren Kern vorgesehen, der verlustarm ist und eine lineare Charakteristik aufweist; auf den Kern sind eine Primärwicklung und zwei Sekundärwicklungen aufgebracht. Die Querschnittsfläche des Kernes des Steuertransformators ist vorzugsweise kleiner als 1/10 der des Kernes des Haupttransformators. Die Primärwicklung des Steuertransformators ist einem Teil der Hauptwicklung des Autotransformators parallelgeschaltet. Eine der Sekundärwicklungen des Steuertransformators ist mit der Steuerelektrode der einen

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Schaltvorrichtung der Wechselrichterschaltung verbunden, während die zweite Sekundärwicklung des Steuertransformators an die Steuerelektrode der anderen Schaltvorrichtung der Wechselrichterschaltung angeschlossen ist. Die Schaltungsanordnung enthält ferner eine Reihe von Paaren von Ausgangsklemmen und Spulen oder Induktivitäten, die zwischen die Hauptwicklung des Autotransformators und eine Ausgangsklemme jedes Paares geschaltet sind. Mit den Ausgangsklemmen eines Paares kann eine elektrische Gasentladungseinrichtung verbunden und in den Stromkreis parallel zur Hauptwicklung des Autotransformators geschaltet werden.

Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel sind die Emitterelektroden der Transistoren des Wechselrichters jeweils in Reihe mit einem Ballastwiderstand, dessen Wert kleiner als 10 Ohm ist, an einen gemeinsamen Verbindungspunkt angeschlossen und mit der Basiselektrode des einen Transistors ist eine Asymmetriervorrichtung verbunden, um ein Anschwingen der Anordnung zu gewährleisten. Die Ausgangsklemmen ermöglichen es, an die Hauptwickjomg des Autotransformators mehrere Leuchtstofflampen oder dgl. anzuschließen, wobei jeweils zwei Lampen in Reihe mit einer Induktivität geschaltet werden, deren Wert kleiner als 50 Millihenry ist. Der Hauptwicklung ist ferner ein Kondensator parallelgeschaltet, der bezüglich des Induktivitätswertes der Hauptwicklung so bemessen ist, daß deren Spannungsänderung in gewünschter Weise verläuft. Der Kern des Haupttransformators ist vorzugsweise toroidförmig und sein Querschnitt ist wesentlich größer als der des Steuertransformators. Den Eingang sklemmen der GleichrichteranOrdnung ist vorzugsweise ein überspannungsschutz parallelgesch^ltet.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine kompakte Schaltung hohen Wirkungsgrades zur direkten Speisung von Gasentladungseinrichtungen, wie Leuchtstoffröhren, au^einer Wechselspannungsquelle geschaffen.

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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Ausftihrungsbeispieles
der Erfindung;

Fig. 2 einen Teil der Hysteresiskurve des Steuertransformators und

Fig. 3 graphische Darstellungen des zeitlichen

Verlaufes von Spannungen und Strömen, auf die bei der Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1
Bezug genommen wird.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung hat Eingangsklemmen 10 und 12, an die eine 120-V-Wechselspannungsquelle anschließbar ist. Den Eingangsklemmen 10 und 12 ist ein Gasentladungs-Überspannungsableiter 14 parallelgeschaltet. Mit den Eingangsklemmen 10 und 12 ist ferner ein Vollweggleichrichter 16 verbunden, der vier Dioden 18 enthält und Ausgangsklemmen 20 und 21 hat, an denen eine Spannung von 150 Volt zur
Verfügung steht. Den Ausgangsklemmen 20 und 22 des Vollweggleichrichters ist ein Glättungskondensator 24 parallelgeschaltet.

Die Schaltungsanordnung enthält ferner einen Sparoder Autotransformator 26 mit einem Toroidkern aus einem verlustarmen Material mit linearer Charakteristik (z.B. einem Ferrit, wie er unter dem Handelsnamen "Ferroxcube 3E" im Handel
ist). Auf den Kern 28 des Autotransformators 26 ist eine Hauptwicklung 30 mit zwei Abgriffen 32 und 34 gewickelt. Die Abgrif-

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fe sind so angeordnet, daß an dem Wicklungsabschnitt zwischen einer Endklemme 36 und dem ersten Abgriff 32 die gleiche Spannung (150V ) auftritt, wie an dem Wicklungsabschnitt zwischen den Abgriffen 32 und 34. Der Wicklungsabschnitt zwischen dem Abgriff 32 und einer zweiten Endklemme 38 liefert eine Ausgangsspannung von etwa 350 Volt. Zwischen die Endklemmen 36 und 38 ist ein Kondensator 40 geschaltet, dessen Kapazitätswert mit dem Induktivitätswert (20 Henry) des Autotransformators koordiniert ist. Die Schaltungsanordnung hat Ausgangsklemmen 44, die jeweils über eine kleine Induktivität 42 mit der Endklemme 36 verbunden sind. Mit der Hauptwicklung 30 des Autotransformators 26 sind ferner über den Kern 28 Hilfs- oder Heizwicklungen 50 gekoppelt.

Zwischen den Vollweggleichrichter 16 und den Autotransformator 30 ist eine Wechselrichterschaltung geschaltet, die zwei für hohe Betriebsspannungen ausgelegte Schalttransistoren 60, 62 (z.B. RCA Typ 2N584O oder Delco Typ DTS 402) mit jeweils einer Basiselektrode 64, einer Emitterelektrode 66 und einer Kollektorelektrode 68 enthält. Der Emitter-Kollektor-Strecke 66-68 jedes Transistors ist eine Diode 70 parallelgeschaltet, um den Rückstrom im Ausgangskreis des Transistors zu begrenzen. Mit der Basiselektrode 64 jedes Transistors ist ein Widerstand 72 verbunden. Die Emitterelektrode 66 der beiden Transistoren 60 und 62 sind jeweils über einen Ballastwiderstand 74 mit einem Verbindungspunkt 76 verbunden, der seinerseits an die Ausgangsklemme 22 des Vollweggleichrichters 16 angeschlossen ist. Zwischen den Eingangskreis des Transistors 62 und die Eingangsklemme 12 ist ein Anlaufkondensator 82 geschaltet, der die Schaltung unsymmetrisch macht.

Die Schaltungsanordnung enthält ferner einen Steuertransformator mit einem Kern 90 aus zwei Teilen wesentlich kleineren Querschnitts als der Kern 28. Einer der Kernteile ist

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E-förmig und beide Kernteile bestehen aus einem linearen, verlustarmen Ferrit mit einer Charakteristik, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Der Kern 90 kann z.B. aus dem unter dem Handelsnamen "Ferroxcube 3E" im Handel erhältlichen Ferrit bestehen. Auf den Kern 90 ist eine Primärwicklung 92 gewickelt, die in Reihe mit einem Widerstand 94 zwischen die Endklemme der Hauptwicklung 30 des Autotrans forma tors 26 und deren Abgriff 34 geschaltet ist. Auf den Kern 90 sind außerdem zwei Sekundärwidiungen 96 und 98 gewickelt. Das Windungsverhältnis zwischen der Primärwicklung und jeder Sekundärwicklung beträgt 7:1. Ein Anschluß jeder Sekundärwicklung 96, 98 ist über Dioden 102 und einen Verbindungspunkt 100 mit der Ausgangsklemme 22 des Vollweggleichrichters 16 gekoppelt. Der zweite Anschluß der Sekundärwicklung 96 ist über den Eingangskreis mit der Basiselektrode 94 des Transistors 62 gekoppelt, während der zweite Anschluß der zweiten Sekundärwicklung 98 in entsprechender Weise mit der Basiselektrode 64 des Transistors 60 gskoppelt ist.

Die beschriebene Ballastschaltung ist für die Speisung von elektrischen Gasentlasungseinrichtungen, wie Leuchtstoffröhren 110 bestimmt. Zwischen jede Ausgangsklemme 44 und eine zugehörige, mit der Endklemme 38 verbundene Ausgangsklemme 46 können jeweils zwei in Reihe liegende Leuchtstoffröhren geschaltet werden und an die Schaltungsanordnung können mehrere Paare in Reihe geschalteter Leuchtstoffröhren parallel angeschlossen werden, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.

Im Betrieb wird die an den Eingangsklemmen 10 und 12 liegende Wechselspannung von z.B. 60 Hz durch den Vollweggleichrichter 16 gleichgerichtet. Der Glättungskondensator 24 bewirkt eine Filterung der gleichgerichteten Spannung und eine verstärkte Filterung bei Frequenzen im Kilohertz-Bereich, die durch den bei 20 kHz arbeitenden Wechselrichter erzeugt werden. Beim Anlegen der Spannung an die Eingangeklemmen 10 und 12 bewirkt die durch den Anlaufkondensator 82 verursachte geringe

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Unsymmetrie, daß der Transistor 62 zuerst zu leiten beginnt. Der Stromfluß im Transistor 62 läßt an dem zwischen Abgriffen 32 und 34 liegenden Abschnitt der Hauptwicklung 30 des Autotransformators 26 eine Spannung entstehen und der aufgrund dieser Spannung fließende Strom induziert eine Spannung zwischen den Ausgangsklemmen 44 und 46. Die Spannung an der Hauptwicklung 30 des Autotransformators 26 wird ferner der Primärwicklung 92 des Steuertransformators zugeführt. Als Folge davon wird der Transistor 62 durch die mit ihm verbundene Sekundärwicklung 96 des Steuertransformators in die Sättigung ausgesteuert. Die Schaltungsanordnung bleibt nur solange in diesem Zustand, bis der Kern 90 des Steuertransformators gesättigt ist. Durch die Sättigung des Kernes 90 verschwindet das Steuersignal für den Transistor 62 und dieser hört auf zu leiten. Die Magnetfelder im Autotransformator 26 und Steuertransformator brechen dann schnell zusammen, wobei in den Sekundärwicklungen 9-6 und 98 eine Spannung entgegengesetzter Polarität wie vorher induziert wird. Die in der Sekundärwicklung 98 induzierte Spannung bewirkt, daß der Transistor 60 zu leiten beginnt und dieser Transistor wird dann schnell in den Sättigungszustand ausgesteuert, in dem er bleibt, bis der Kern 90 des Steuertransformators nun in der entgegengesetzten Richtung gesättigt ist. In diesem Zeitpunkt sperrt der Transistor 60 dann wieder. Die oben erläuterten Vorgänge wiederholen sich zyklisch und die Schaltungsparameter des beschriebenen Ausführungsbeispiels sind so ausgelegt, daß die Betriebsfrequenz in der Größenordnung von 20 kHz liegt und daß die Schaltungsanordnung an den Ausgangsklemmen 44 und 46 einen Strom in der Größenordnung von 420 iriA für den Betrieb der Leuchtstoffröhren 110 liefert.

In Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf verschiedener Spannungen und Ströme dargestellt, die im Betrieb der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 auftreten. Fig. 3a zeigt den Ver-

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lauf der Spannung an der Primärwicklung 92 des Steuertransformators. In Fig. 3b ist die Kollektor-Emitter-Spannung V™ eines der Transistoren 60 und 62 dargestellt? die Ausgangsspannung des anderen Transistors ist gegenüber der dargestellten Spannung um 180° in der Phase verschoben; Fig. 3c zeigt den Verlauf des Kollektorstroms Ip des betrachteten Transistors In Fig. 3d ist der Basisstrom I_, des betrachteten Transistors dargestellt; Fig. 3e zeigt den Verlauf des die Leuchtstoffröhren 110 durchfließenden Stroms und Fig. 3f stellt den Verlauf der Spannung an einer Leuchtstoffröhre 110 dar. Man beachte, daß der die Leuchtstoffröhren durchfließende Strom annähernd sinusförmig ist, wodurch eine lange Lebensdauer der Leuchtstoffröhren gewährleistet wird.

Wie erwähnt, hat der Steuertransformator einen Kern mit linearer, verlustarmer Charakteristik. Seine Primärwicklung ist einem zwischen einer Endklemme und einem benachbarten Abgriff liegenden Wicklungsteil der Hauptwicklung des Autotransformators parallelgeschaltet. Die Sättigungseigenschaften des Steuertransformators sind so auf die Sättigungseigenschaften des Autotransformators abgestimmt, daß die Sättigung des Steuertransformators ein Schalten der Schaltvorrichtungen (Transistoren) der Wechselrichter- oder Inverterschaltung bewirkt, ohne daß der Autottransformator sättigt.

Durch die Erfindung wird also eine kompakte, wirtschaftliche, mit hohem Wirkungsgrad arbeitende und leichte Schaltungsanordnung zur Speisung mehrere^Gasentladungseinrichtungen geschaffen. Selbstverständlich läßt sich das beschriebe-.-ne Ausführungsbeispiel in der verschiedensten Weise abwandeln, ohne da« dadurch der Rahmen der Erfindung überschritten wird.

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Claims

Patentansprüche

Schaltungsanordnung zur Speisung von Gasentladungseinrichtungen aus einer Wechselspannungsquelle, mit einer GleichricKteranordnung, die zwei an die Wechselspannungsquelle anschließbare Eingangsklemmen und zwei Ausgangsklemmen hat, von denen die eine Ausgangsklemme mit einem ersten Wicklungsteil eines einen Kern und mehrere auf diesem angeordnete Wicklungsteile enthaltenden Haupttransformator gekoppelt ist, ferner mit einer Wechselrichterschaltung, die zwei Schaltvorrichtungen mit je einer Steuerklemme und einer mit dm ersten Wicklungsteil gekoppelte Ausgangsklemme enthält, und mit einer Ausgangsklemmenanordnung zum Anschluß mindestens einer Gasentladungseinrichtung an einen Wicklungsteil des Haupttransformators, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem zweiten Wicklungsteil (34-38) des Haupttransformators (26) eine Primärwicklung (92) eines Steuertransformators (90, 92, 96, 98) gekoppelt ist, der einen Kern (90) mit linearer, verlustarmer Charakteristik und zwei Sekundärwicklungen (96, 98 ) hat, die jeweils mit der Steuerklemme (64) einer der Schaltvorrichtungen (60, 62) derart gekoppelt sind, daß diese Schaltvorrichtungen durch das Sättigen des Kerns (90) des Steuertransformators zwischen dem gesperrten und dem gesättigten Zustand umgeschaltet werden, und daß die Sättigungseigenschaften des Steuertransformators bezüglich der Sättigungseigenschaften des Haupttransformators so bemessen sind, daß die Sättigung des Steuertransformators das Umschalten der Wechselrichterschaltung ohne Sättigung des Kerns (28) des Haupttransformators (26) bewirkt.

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2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtungen Transistoren mit jeweils einer Basis-, Emitter- und Kollektorelektrode sind und daß jede Emitterelektrode (66) über einen Widerstand (74) , der kleiner als 10 Ohm ist, mit einem gemeinsamen Schaltungspunkt (76) verbunden ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptwicklung (30) ein Kondensator (40) parallelgeschaltet ist, der mit dem Induktivitätswert der Hauptwicklung im Hinblick auf eine Änderung der Rate der Spannungsänderung koordiniert ist, und daß mit einer Klemme (36) der Hauptwicklung (30) des Transformators mehrere Ausgangs-Induktivitäten (42) verbunden sind, deren Induktivitätswert jeweils kleiner als 50 Millihenry ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuertransformator ein Abwärtstransformator ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Eingangsklemme (64) einer der Schaltvorrichtungen (62) eine die Schaltungsanordnung unsymmetrisch machende Anordnung (82) gekoppelt ist, die ein Anlaufen der Wechselrichterschaltung gewährleistet.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Eingangsklemmen (10, 12) der Gleichrichteranordnung (16) ein überspannungsschutz (14) parallelgeschaltet ist.

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7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet/ daß die Ausgangsklemmenanordnung (44, 46) zum Anschluß mehrerer Leuchtstofflampen (110) an die bzw. parallel zur Hauptwicklung (30) enthält und daß mit dem Haupttransformator mehrere Sekundärwicklungen (50) für den Anschluß von Heizdr ähten der
Leuchtstofflampen (110) gekoppelt sind.
8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Kerns (90) des Steuertransformators
wesentlich kleiner als der Querschnitt des Kerns (28) des
Haupttransformators (26) ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Haupttransformator ein Autotransformator ist.
10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern des Steuertransformators aus einem Magnetwerkstoff, insbesondere Ferrit, mit rechteckiger Hysteresisschleife besteht.

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