DE2342456A1 - Wechselrichter zum betreiben einer leuchtstofflampe niedriger wattzahl mit einer gleichstromquelle - Google Patents

Wechselrichter zum betreiben einer leuchtstofflampe niedriger wattzahl mit einer gleichstromquelle

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DE2342456A1 DE19732342456 DE2342456A DE2342456A1 DE 2342456 A1 DE2342456 A1 DE 2342456A1 DE 19732342456 DE19732342456 DE 19732342456 DE 2342456 A DE2342456 A DE 2342456A DE 2342456 A1 DE2342456 A1 DE 2342456A1
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Description

"Wechselrichter zum Betreiben einer Leuchtstofflampe niedriger Wattzahl mit einer Gleichstromquelle"
Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter zum Erzeugen von hochgespanntem Wechselstrom aus einer Gleichstromquelle niedriger Spannung, insbesondere einen Wechselrichter zum Betreiben einer Leuchtstofflampe niedriger Wattzahl mit einer Gleichstromquelle.
Es sind bereits Wechselrichter mit einer Multivibratorschaltung bekannt, die von einer Niederspannungsbatterie gespeist wird und Wechselstrom an die Primärwicklung eines Aufwärtstransformators liefert. Zwischen die Sekundärwicklung des Aufwärtstransformators können die Elektroden einer Leuchtstofflampe geschaltet werden, um eine Gasent-
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Patentanwälte Dipl.-!ng. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann ~ d- —
8 MÖNCHEN 2, TH E RES I ENSTRASS E 33 · Telefon: 28 12 02 ■ Telegramm-Adresse: Lipat:i München Bqyer. Vereinsbank München, Zweigst. Oskar-von-Miller-Ring, Kto.-Nr. 882495 · Postscheck-Konto: München Nr. 163397
Oppenauer Büro: PATENTANWALT DR. REINHOLD SCHMIDT
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ladung in der Leuchtstofflampe in Gang zu setzen und aufrechtzuerhalten. Bei herkömmlichen Leuchtstofflampen geringer Wattzahl wird zur Erzielung einer schnellen Zündung Heizstrom durch die jeweils am' Ende der Leuchtstoffröhre angeordneten Elektroden hindurchgeschickt. Bei anderen Leuchtstofflampenarten wird eine sehr hohe Startspannung an die Leuchtstoffröhre angelegt, um eine Glimmentladung durch Beschleunigung der Ionen in der Gasfüllung in Gang zu setzen. Beim Erwärmen der Elektroden durch die bei extra hoher Spannung stattfindende Entladung wird Metall von den Elektroden zerstäubt. Dadurch wird die Fähigkeit der Elektroden, freie Elektronen zu liefern, beeinträchtigt und darüber hinaus schlägt sich das zerstäubte Metall an der Innenseite der Röhre nieder, wodurch die Innenseite geschwärzt und dadurch die Lichtausbeute der Leuchtstofflannpe verringert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die von einer Gleichstromquelle mit geringer Spannung, insbesondere einer Niederspannungsbatterie, betrieben wird und die hochgespannten Wechselstrom liefert, mit dem eine Leuchtstofflampe niedriger Wattzahl schnell und zuverlässig gezündet und betrieben werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Wechselrichter, bei dem ein von einer Gleichstromquelle gespeister Transistor-Flip-Flop die Sekundärseite eines Aufwärtstransformators mit hochfrequentem Wechselstrom speist. Der Transformator weist drei Sekundärwicklungen auf, von denen die erste zum Inganghalten der Entladung in einer Leuchtstofflampe dient. Die zweite Sekundärwicklung, die die gleiche Spannung wie die erste Sekundärwicklung liefert, wird zum Starten der Leuchtstofflampe verwendet, wobei Strom von der ersten und der zweiten Sekundärwicklung in Reihe durch die beiden Elektroden der Leuchtstofflampe hindurchge-
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schickt wird, so dass diese schneller als normalerweise möglich aufgeheizt werden. Nachdem die Elektroden aufgeheizt sind und eine Glimmentladung in Gang gekommen ist, wird die zweite Sekundärwicklung des Transformators abgeschaltet und die Glimmentladung mit der ersten Sekundärwicklung allein in Gang gehalten. Die dritte Sekundärwicklung, die eine Spannung liefert, die doppelt so gross ist wie die Spannung der ersten und der zweiten Sekundärwicklung, ist zwischen das eine Ende der ersten Sekundärwicklung und der Gleichstromquelle geschaltet. Dadurch wird die von der dritten Sekundärwicklung gelieferte hohe Spannung der von der ersten Sekundärwicklung gelieferten Spannung überlagert, so dass eine sehr hohe Wechselspannung (in der Grössenordnung von 500 V) an einer der Elektroden anliegt. Die mit der hohen Spannung beaufschlagte Elektrode ist kapazitiv mit Masse (= negativer Pol der Gleichstromquelle) gekoppelt und bewirkt daher die Ionisierung innerhalb der Leuchtstofflampe, so dass die Glimmentladung ausserordentlich rasch in Gang kommt. Die dritte Sekundärwicklung liegt nicht im Gasentladungskreis und wird daher nur beim Start der Gasentladungslampe wirksam. Bei den bekannten Schaltungen, bei denen eine hohe Spannung zum Starten der Lampe eingesetzt wird, liegt hingegen die hohe Spannung auch nach dem Start der Lampe weiter im Gasentladungskreis.
Die Zeichnung zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung.
In der Zeichnung bezeichnet die Bezugszahl 10 einen Transformator mit zwei Primärwicklungen 12 und 14, die jeweils eine Mittelanzapfung 40 bzw. 38 aufweisen. Die Spannung der Primärwicklung 14 ist ungefähr gleich 5/3 der Spannung der Primärwicklung 12. Im Nebenschluss zu einer Batterie 22, die normalerweise eine Spannung von 8 V aufweist,
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liegen zwei Reihenwiderstände 24 und 28. Den Verbindungspunkt 15 zwischen diesen beiden Widerständen 24 und 28 steht mit der Mittelanzapfung 40 der Primärwicklung 12 in Verbindung. Die beiden Anschlüsse 46 und 48 der Primärwicklung 12 stehen jeweils über eine Diode 32 bzw. 30 mit der Basis eines Transistors 36 bzw. 34 in Verbindung. Die im Nebenschluss zur Batterie 22 liegenden Widerstände sorgen für eine Vorspannung an der Basis der Transistoren 36 und 34, so dass diese Transistoren unter normalen Bedingungen sich im leit enden Zustand befinden.
Der positive Pol der Batterie 22 ist über einen Schalter 23 mit der Mittel anzapfung 38 der Primärwicklung 14 verbunden. Die beiden Anschlüsse 42 und 44 der Primärwicklung 14 stehen mit den Kollektoren der Transistoren 34 und 36 in Verbindung, während die Emitter der beiden Transistoren an dem negativen Pol der Batterie 22 angeschlossen sind.
Der Transformator 10 weist hohe Hysteresisverluste auf, d.h. die Hysteresisschleife des Transformatorkerns verläuft rechteckig und steigt daher mit dem Erregungsstrom sehr schnell an und flacht dann sehr schnell ab. Die Sekundärwicklungen des Transformators werden daher gesättigt und liefern einen Rechteckwellenstrom. Dies ist für die Wirkungsweise des Wechselrichters wichtig. Wenn der Schalter 23 geschlossen wird, liegt an beiden Anschlüssen 42 und 44 der Primärwicklung 14 und daher an den Kollektoren der Transistoren 34 und 36 positive Spannung. Weiterhin sorgt die durch die Widerstände 24 und 28 gebildete Spannungsteilerschaltung dafür, dass auch an den Basiselektroden der Transistoren Spannung anliegt. In einem der Transistoren beginnt somit zuerst Strom zu fliessen. Bei welchem der Tran-
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sistoren dies der Fall ist, hängt von statistischen Gesetzmässigkeiten ab. Es wird angenommen, dass der Transistor 36 zuerst leitend wird. In diesem Falle fliesst in der Wicklung 14 zwischen der Mittelanzapfung 38 und dem Anschluss 44 Strom, der wiederum den Aufbau einer Spannung in der Wicklung 14 in Richtung von 44 nach 42 und dementsprechend in der Wicklung 12 in der Richtung von 48 nach 46 zur Folge hat. Die Spannung am Anschluss 48 und damit auch die Spannung an der Basiselektrode des Transistors 34 fällt daher auf einen Wert, bei dem der Transistor 34 nicht leiten kann. Der Strom im Transistor 36 steigt daher weiter an. Sobald der zwischen 44 und 48 fliessende Strom einen vorgegebenen Wert erreicht, tritt eine Sättigung des Tränsformatorkerns auf und der Emitter-Kollektor-Strom des Transistors 36 erreicht einen konstanten Wert. Wenn dies eintritt, sinken die in den Primärwicklungen des Transformators induzierten Spannungen auf einen sehr niedrigen Wert. Die Spannung an der Basis des leitenden Transistors 36 sinkt dann wieder auf den durch die Spannung am Punkt 25 vorgegebenen Vorspannungswert ab. Mit absinkender Basisspannung nimmt auch der durch den Transistor 36 fliessende Strom ab, wodurch wiederum eine Gegenspannung in entgegengesetzter Richtung induziert wird, d.h. in Richtung von 42 nach 44 und in Richtung von 46 nach 48. Die Spannung an der Basis des Transistors 34 steigt somit an und der Transistor beginnt schliesslich zu leiten. Dadurch sinkt die Basisspannung des Transistors 36 weiter ab und der Transistor 36 wird schliesslich gesperrt.
Der durch den Transistor 34 fliessende Strom steigt bis zur Sättigung des Transformatorkerns an und flacht dann ab, d.h. der vorstehend beschriebene Arbeitszyklus wiederholt sich. Dabei fällt die Spannung an der Basis des Transistors 34, so dass der im Transistor 34 fliessen-
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de Strom abzunehmen beginnt. Dies hat wiederum einen Spannungsanstieg an der Basis des Transistors 36 zur Folge, so dass der Transistor 36 schliesslich zu leiten beginnt und somit ein Fortlaufen des FHp-Flop-Verhaltens gewährleistet wird, bei dem die beiden Transistoren abwechselnd Strom leiten bzw. gesperrt werden. Dadurch wird gewährleistet, dass ein Wechselstrom mit sehr hoher Frequenz durch die Primärwicklung 14 des Transformators fliesst. Die Frequenz des durch die Primärwicklung 14 des Transformators fliessenden Wechselstroms kann bis zu 4O 000 Hz betragen. Eine derart hohe Frequenz wirkt sich günstig auf die Lichtausbeute der Leuchtstofflampe aus und ist daher sehr erwünscht. Diese Wechselstromfrequenz hängt vom Verlauf der Hysteresisschleife des Transformatorkerns ab. Die Frequenz ist umso höher, je schneller der Transformatorkern gesättigt wird.
Neben den in den Primärwicklungen induzierten Spannungen werden auch entsprechende Spannungen in den Sekundärwicklungen induziert, so dass sekundärseitig Wechselspannungen vorliegen, die ungefähr dreissig bis fünfzig Mal grosser sind als die Spannungen an den Primärwicklungen.
In der Zeichnung bezeichnet die Bezugszahl 50 eine Leuchtstofflampe, die zwei Elektroden 52 und 54 besitzt, die in gegenüberliegenden Enden des Lampenrohres angeordnet sind. Eine Sekundärwicklung 18 des Transformators 10 ist mit dem einen Anschluss 60 mit dem einen Ende der Elektrode 54 und mit dem anderen Anschluss 64 über einen Kondensator 72 mit dem einen Ende der Elektrode 52 verbunden. Eine weitere Sekundärwicklung 20, die im wesentlichen die gleiche Spannung wie die Sekundärwicklung 18 liefert, ist mit ihrem einen Anschluss 66 mit dem anderen Ende der Elektrode 52 und mit ihrem Anschluss 68
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über einen Kondensator 70 und einem Schalter 58 mit dem anderen Ende der Elektrode 54 verbunden. Die Kondensatoren 70 und 72 dienen zur Strombegrenzung. Wenn der Schalter 58 geschlossen wird, fliesst Strom durch die Sekundärwicklung 18, Kondensator 72, Elektrode 52, Sekundärwicklung 20, Kondensator 70, Schalter 58, Elektrode 54 und zurück zur Sekundärwicklung 18. An den beiden in Reihe liegenden Elektroden liegt die doppelte Spannung an, so dass durch die Elektroden im wesentlicher doppelter Strom fliesst, wodurch die Elektroden rasch auf die Temperatur aufgeheizt werden, bei der die Elektronenemission beginnt. Unter dem Einfluss der von der Sekundärwicklung 18 gelieferten Spannung wird dann in der Leuchtstofflampe die Gasentladung in Gang gesetzt, so dass die Leuchtstofflampe aufleuchtet. Zu diesem Zeitpunkt wird durch Öffnen des Schalters 58 auf Normalbetrieb umgeschaltet, bei dem die Leuchtstofflampe von der Sekundärwicklung 18 gespeist wird.
Der Transformator 10 weist eine weitere Sekundärwicklung 16 auf, deren Spannung ungefähr zweimal so gross ist wie die Spannung der Sekundärwicklungen 18 und 20. Das eine Ende der Sekundärwicklung 16 steht mit der Sekundärwicklung 18 und damit mit der Elektrode 54 in Verbindung. Das andere Ende 62 der Sekundärwicklung 16 ist mit dem negativen Pol 37 der Batterie 22 verbunden. Der negative Pol der Batterie liegt an Masse, so dass zwischen dem Anschluss 64 und Masse eine Spannung Hegt, die ungefähr dreimal so gross ist wie die Spannung der Sekundärwicklung 18. Diese hochfrequente Hochspannung, die bis zu 500 V betragen kann, bewirkt wegen der kapazitiven Kopplung zwischen der Elektrode 52 und der um die Leuchtstofflampe vorhandenen Masse eine Ionisierung in der Nähe der Elektroden und beschleunigt damit die Zündung der Leuchtstofflampe. Die dritte Sekundärwicklung 16 gewährleistet somit, dass beim Ingangsetzen der Leuchtstofflampe zwischen einer
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Elektrode und Masse eine Spannung liegt, die ungefähr dreimal so gross ist wie die von der Sekundärwicklung 18 gelieferte Betriebsspannung. Bei Schliessen des Schalters 58 zum Aufheizen der Elektroden wird also alsbald eine zum Ingangsetzen der Entladung ausreichende Ionisierung erreicht.
Der Kondensator 72 kann beispielsweise eine Kapazität von 0,0015 Mikrofarad und der Kondensator 70 eine Kapazität von 0,1 Mikrofarad aufweisen. Die Primärwicklung 12 kann aus drei Bifilarwindungen und die Primärwicklung 14 aus fünf Bifilarwindungen bestehen. Die Sekundärwicklungen 18 und 2O können jeweils 100 Windungen und die Sekundärwicklung 16 kann 200 Windungen aufweisen. Die Dioden 30 und 32 sind zum Schutz der Transistoren vorgesehen und können auch weggelassen werden, falls die Transistoren eine ausreichende Basis-Emitter-Durchbruchsspannung aufweisen.
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Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE:
    1 . Wechselrichter zum Betreiben einer Leuchtstofflampe niedriger Wattzahl mit einer Gleichstromquelle, dadurch gekennzeichnet, dass ein Transformator (10) vorgesehen ist, der einen Kern mit rechteckiger Hysteresisschleife aufweist, die eine Sättigung bei geringem Erregungsstrom gewährleistet, sowie zwei Primärwicklungen (12, 14) und drei Sekundärwicklungen (16, 18, 20) aufweist, die erste und die zweite Sekundärwicklung (18, 20) gleiche Spannung liefern, die dritte Sekundärwicklung (16) eine Spannung liefert, die ungefähr doppelt so gross ist wie die Spannung der anderen Sekundärwicklungen, ein von der Gleichstromquelle (22) gespeister Transistor Flip-Flop (34, 36) vorhanden ist, der an die Primärwicklungen (12, 14) hochfrequenten Wechselstrom liefert, die erste Sekundärwicklung (18) zwischen dem einen Ende jeder Elektrode (52, 54) der Leuchtstofflampe (50) geschaltet ist, die zweite Sekundärwicklung (20) über einen Schalter (58) zwischen dem anderen Ende jeder der beiden Elektroden geschaltet ist und die dritte Sekundärwicklung (16) zwischen dem einen Ende (60) der ersten Sekundärwicklung (18) und der Gleichstromquelle (22) liegt.
    2, Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    in Reihe zur ersten Sekundärwicklung (18) sowie zur zweiten Sekundärwicklung (20) jeweils Strombegrenzungsmittel (70, 72) vorgesehen sind.
    3. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromquelle eine Batterie (22) ist.
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    4. Wechselrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Flip-Flop zwei Transistoren (34, 36) enthält, deren Emitter mit dem negativen Pol (37) der Batterie (22) und deren Kollektoren mit den Anschlüssen (42, 44) der einen Primärwicklung (14) verbunden sind, der Mittelabgriff (38) der einen Primärwicklung (14) über einen Schalter (23) mit dem positiven Pol (39) der Batterie (22) in Verbindung steht, die Basiselektroden der Transistoren (34, 36) über Dioden (30, 32) mit den Anschlüssen (46, 48) der anderen Primärwicklung (12) in Verbindung stehen und der Mittelabgriff (40) der anderen Primärwicklung (12) über einen Spannungsteiler (24, 26) mit der Batterie (22) verbunden ist.
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