DE2624123A1 - Speiseschaltung fuer niederdruck- entladungslampen - Google Patents

Speiseschaltung fuer niederdruck- entladungslampen

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DE2624123A1 DE19762624123 DE2624123A DE2624123A1 DE 2624123 A1 DE2624123 A1 DE 2624123A1 DE 19762624123 DE19762624123 DE 19762624123 DE 2624123 A DE2624123 A DE 2624123A DE 2624123 A1 DE2624123 A1 DE 2624123A1
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Description

Erfindung bezieht sich auf eine Speiseschaltung für Niederdruck-Entladungslampen oder Leuchtstofflampen sowie auf eine Stabilisierungsschaltung für Leuchtstofflampeiisysteiae, insbesondere auf eine transistorisierte Hochfrequenz-Stabilisierungsschaltung.
In der Entwicklung der Beleuchtung durch Leuchtstofflampen wurde bereits früh erkannt, daß der Wirkungsgrad mit steigender Arbeitsfrequenz erhöht werden kann. In den 60-iger Jahren v/urden einige Versuche unternommen, diese erhöhte Leistungsfähigkeit bei hochfrequenten Festkörper-Wechselrichtern auszunutzen. Seinerzeit waren jedoch die Festkörperschaltungen sehr teuer und hatten Grenzwerte, die für den gedachten Anwendungszvreck ungeeignet sind.
In den letzten Jahren wurden bei hoher Spannung arbeitende Halbleiterschaltungen praktisch und billig. Es ist daher bei sorgfältiger Auslegung nunmehr möglich, ein wirkungsvoller arbeitendes, preiswertes Speisesystem für Leuchtstofflampen herzustellen.
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Aus der US-PS 3 579 026 ist eine Halbleiterschaltung mit einem darin eingebauten Schaltkreis bekannt. Die US-PS 3 710 177 beschreibt einen Wechselrichter, der eine Speisespannung liefert, deren Frequenz kleiner als die Resonanzfrequenz ist, und bei dem in dem Wechselrichter eine Einrichtung verwendet wird, durch die der Wechselrichter eine verminderte Spannung mit einer Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz liefern kann. Hierdurch wird die Konditionierung der Lampe erleichtert. Die US-PS 3 758 821 beschreibt die Verwendung eines Transformators mit sättigbarem Kern, dessen magnetische Eigenschaften so gewählt sind, daß bei steigender Belastung am Ausgang des Transformators die Frequenz der Oszillatorschaltung, deren Teil der Transformator ist, ansteigt. Aus der US-PS 2 928 994 ist schließlich eine Stabilisierungsschaltung für Leuchtstofflampen bekannt, bei der zur Spannung der Quelle proportionale Frequenzänderungen auftreten, und bei der die Induktivität der Lampenschaltung die Frequenzänderungen kompensiert, damit der Lampenstrom im wesentlichen konstant bleibt.
Transistorisierte Wechselrichter sind aus EEE-Magazine, Februar 1969, Seiten 114 bis 116, und aus Electrical Manufacturing Magazine, Januar/Februar 1960, Seiten 79 bis 94, bekannt.
Weiter sind transistorisierte Stabilisierungsschaltungen für Leuchtstofflampenschaltungen bekannt, beispielsweise aus den US-PSn 3 769 545, 3 766 467, 3 754 160, 3 700 956 und 2 964 676.
Die Aufgabe der Erfindung wird hauptsächlich darin gesehen, den Wirkungsgrad von Speiseschaltungen für Leuchtstofflampen mit möglichst einfachen Mitteln und geringen Kosten zu verbessern.
Erfindungsgemäß werden Leuchtstofflampen mittels hochfrequenten transistorisierten Stabilisierungsschaltungen gespeist. Das System besteht aus zwei Untergruppen. Die
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erste ist eine zentrale Gleichricht- und Steuereinrichtung. Die zweite ist ein in einem Gestell montierter Kochfrequenz-Wechselrichter, der zwei 40-W-Leuchtstofflampen speisen kann.
Die Gleichricht- und Steuereinrichtung konditioniert Wechselstrom mit einer Spannung von 120 V in Gleichstrom mit einer Nennspannung von 115 V. Dies geschieht d.urch einen phasengesteuerten Siliziumgleichrichter mit einer am Eingang vorgesehenen Filterdrossel. Diese Schaltung arbeitet mit einem Wirkungsgrad von etv/a 95 bis 97 %.
Der Hochfrequenz-Wechselrichter bzw. -Umformer, der den zweiten Teil des Systems umfaßt, besteht aus einem Leistungs-Gegentaktoszillator mit einer zugehörigen Hilfsschaltung und einem keine Leistung verbrauchenden Stabilisierungsnetzwerk. Weiter ist zur Betätigung des Wechselrichters eine mit niedriger Spannung arbeitende, strombegrenzende Fernsteuereinrichtung vorgesehen.
Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Speiseschaltung mit einer Gleichstromspeisung und einem Hochfrequenz-Wechselrichter mit seiner Schaltanordnung und
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Speiseschaltung.
Fig. 1 zeigt das schematische Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung. Der Hochfrequenz-Wechselrichter enthält einen Gegentakt-Leistungsoszillator mit der zugehörigen Hilfsschaltung und eine ohne Verluste arbeitende Stabilisierungsschaltung. Der Gegentakt-Leistungsoszillator besteht im wesentlichen aus zwei Transistoren Q1 und Q2 und einem Transformator T1. Der Transformator T1 bewirkt eine Phasenumkehrung für die Transistoren, eine positive Rückkopplung zur Aufrechterhaltung der Schwingungen und eine Einrichtung zur Anpassung der Belastungsimpedanz zur Im-
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pedanz der Transistoren. Die positive Rückkopplung von einer kleinen Wicklung 2T am Transformator T1 liefert die an die Basen der Transistoren anzulegende Steuerspannung über einen Strombegrenzungswiderstand R1. Die Rückkopplung ist so ausgebildet, daß der eine Transistor sich im gesättigten Zustand befindet, d.h. durchgeschaltet ist, wenn der andere Transistor sperrt.
Die Basen der Transistoren Q1 und Q2 sind mit den beiden Klemmen einer Wicklung 13T eines Transformators T2 verbunden. Die äußeren Klemmen der Primärwicklung 32T des Transformators TI sind je an den Kollektor eines der Transistoren Q1 und Q2 angeschlossen, deren Emitter mit Masse verbunden sind. Eine Sekundärwicklung 2T des Transformators TI ist mit ihrer einen Klemme an die Basis des Transistors Q2 und mit der zweiten Klemme über einen Widerstand RI an die Basis des Transistors Q1 angeschlossen. Die eine Klemme eines Widerstandes R2 ist mit dor Basis des Transistors und seine zweite mit einer Klemme eines Diac D1 verbunden. Die zvi e it ο Klemme des Diac D1 ist über einen Widerstand R3 an den Kollektor des Transistors Q2 und über einen Kondensator C2 an Masse angeschlossen. Ein Kondensator C3 ist zwischen eine Mittelanzapfung der Primärwicklung 32T und die Masse der Schaltung geschaltet; die Mittelanzapfung der Primärwicklung 32T ist weiter an die positive Klemme einer Gleichspannungsquelle angeschlossen. Die Sekundärwicklung 40T des sättigbaren Transformators T2 ist über einen Schalter S kurzschließbar. Zusätzliche Sekundärwicklungen des Transformators T1 sind an mehrere Leuchtstofflampen und an eine verlustfrei arbeitende Stabilisierungsschaltung angeschlossen.
Der sättigbare Transformator T2 ist zwischen die Basen und Emitter der Transistoren geschaltet. Er ist so ausgelegt, daß er die Sättigung vor dem Transformator T1 erreicht und dieser mit geringem Fluß arbeiten kann, so daß die Eisenverluste verhältnismäßig gering sind. Die Eisenverluste des Transformators T2 sind wegen dessen geringen
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_ 5 —
Volumens unbedeutend. Die Arbeitsfrequenz des Umformers wird durch den Transformator T2 gesteuert. Erreicht nämlich der Transformator T2 die Sattj rung, so steigt sein Magnetisierungsstrom .schnell an, wodurch sich die Basisspannimg des in der Sättigung bofindlichon Transistors vermindert. Ylemi der Transistor aus der Sättigung herauskommt, wird er infolge der Rückkopplungr.wirkung gesperrt, während der andere Transistor tief in die Sättigung getrieben wird. Dieser Vorgang wiederholt sich zweimal je Zyklus,und am Transformator T1 entsteht eine Hechteckwcllen-Sekurjdärspanmmg.
Oszillatoren der vorstehend beschriebenen Art sind symmetrisch und können unter bestimmten Umständen nicht selbst startenc Zur Gewährleistung dct; i>tc.rtö ist daher eine Startschaltung vorgesehen. Der Widerstand R3> der Kondensator C3 und das Diac DI bilden einen Kipponzillator, der der Basis des Transistor?.; QI über den Strombegrenzungswiderstand R2 Stromimpulse zuführt, die den Transistor 0.1 in die Sättigung treiben, der den Schwingungszyklus beginnt. Das Diac D1 ist eine herköiasnliche Kalbleiterschaltung (1N5411 oder RCA Teil 45412). Der Ladewiderstand R3 ist zwischen die eine KIemine des Diac D1 und den Kollektor des Transistors Q2 geschaltet, so daß die Stromircpulse dem Transistor Q1 zugeführt v/erden, wenn er sich in der Sättigung befindet, nachdem dor Wechselrichter gestartet ist. Die Startimpulse haben daher nach seinem Start keine Auswirkung auf die Arbeitsweise des Wechselrichters.
Da Leuchtstofflampen Plasmaentladungsgeräte darstellen, haben sie eine negative Arbeitsimpedanz. Ist keine größere positive Impedanz mit ihnen in Reihe geschaltet, so ziehen sie unkontrollierte Ströme und zerstören sich selbst und den Wechselrichter. Es ist wünschenswert, daß diese positive Impedanz möglichst wenig Leistung verbraucht; daher wird ein Blindwiderstand (reaktive Impedanz) verwendet. Der Blindv/iderstand speichert den Strom während eines Teils des Zyklus und speist ihn währenddes Rests des Zyklus zurück.
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Da die Leistung nicht verbraucht sondern nur gespeichert wird, ergibt sich durch den Blindwiderstand eine verlustfrei arbeitende Last- oder Stabilisierungsschaltung. Bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltung v/erden sowohl ein induktiver als auch ein kapazitiver Widerstand verwendet. Der einen Lampe ist eine Drossel L1 vorgeschaltet, der anderen ein Kondensator C1. Die ¥erte der Drossel L1 und des Kondensators C1 werden so gewählt, daß bei der Arbeitsfrequens des Wechselrichters der kapazitive Widerstand den induktiven Widerstand ausgleicht. Hierdurch wird die Impede.· nz der Lampen in einen positiven Widerstand transforrr-iort, bo daß im Transformator T1 ein minimaler ßeliundärstroni fließt.
Der Kondensator C3 bildet bei der Wechselrichterfrequenz eine niedrige Impedanz, so daß am gleichen Netz arbeitende Wechselrichter sich gegenseitig nicht beeinflussen. Der Kondensator C3 bildet während der Stromspitzen einen Energiespeicher, so daß die Quelle eine recht hohe- Impedanz haben kann. Die jeweils nur eine Windung aufweisenden Wicklungen 1T des Transformators TI heizen die Kathoden der Lampen vor, um zur Erleichterung ihrer Zündung ihre Zündspannungen abzug enken.
Die Sekundärwicklung 40T des Transformators T2 bildet eine bei niedriger Spannung arbeitende, strombegrenzende, fernsteuerbare Ein-Aus-Steuereinrichtung. Ist der an einer entfernten Stelle angeordnete Schalter zwischen den Klemmen geöffnet, so arbeitet der Wechselrichter normal.Ist der Schalter geschlossen, so ist die Eingangs impedanz an der Primär v/i cklung des Transformators T2 gering.Durch diese niedrige Impedanz wird der Basisstrom von den Transistoren geshunted und der Wechselrichter stillgesetzt. Die Spannung an dem Schalter ist kleiner als 6 V ff und der Strom kleiner als 0,05 &e£f Auch bei einem mit dem Schalter in Reihe geschalteten Widerstand von 20 Ohm arbeitet die Steuereinheit normal. Dies erlaubt lange Betriebszeiten bei niedrigen Strömen und Steuerspannungen.
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115 V=
0,71 6 A=
82,3 ■ W
82 ¥
0,33 Aef
0,37 Alf
45
37 ¥
4,7 ¥
Die Schaltung hat folgende Betriebswerte:
Eingangsspannung Eingangs strom Eingangsleistung Ausgangsleistung* kapazitiver Lampenstrom* induktiver Lampenstrora* kapazitive Lampenleistung* induktive Lampenleistung* Verluste (rechnerisch)
* Diese Vierte wurden numerisch aus Oszillogrammen integriert. Ihre Genauigkeit liegt in der Größenordnung von +_ 5 %· Nenn -Arbeitsir equenz 22 kHz.
Die Schaltung liefert die gleiche Lichtausbeute wie herkömmliche niederfrequente Stabilisierungsschaltungen mit 85 fo oder weniger Leistungsverbrauch. Dies führt zu einem minimalen Anstieg des Wirkungsgrades von 11 % gegenüber herkömmlichen Stabilisierungsschaltungen. Die Einsparungen können 15 % des Leistungsvorbrauchs betragen. Auch können hohe anfängliche Kosten eingespart werden, wenn die mit Niederspannung arbeitende Fernsteuereinrichturgverwendet wird. Bei der erfindungsgemäßen Schaltung können Drähte der Stärke 22 ohne Leitung verwendet werden, während bei der herkömmlichen Schaltung in Leitungen für die Steuerleitung die Drahtstärke 14 verwendet wird.
Die erfindungsgemäße Stabilisierungsschaltung hat sich in der Praxis bewährt; sie enthält einen Wechselrichter, der beträchtliche Energieeinsparungen bei vernünftigen Kosten ermöglicht. Weiter kann die Lampe eine höhere Lichtausbeute bei gleichem Leistungsverbrauch wie bei herkömmlichen niederfrequenten Stabilisierungsschaltungen erreichen.
Herkömmliche Leuchtstofflampen werden mit einem Ende eines Rohrs an die Klemmen 1 und 2 und mit dem anderen Ende des Rohrs an die Klemmen 5 und 6 angeschlossen. Das eine Ende eines zweiten Rohrs wird mit dem einen Ende an die Klemmen 3 und 4 und mit dem anderen an die Klemmen 5 ung 6 angeschlossen.
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Die Klemmen S-S sind an die Schalteinrichtung angeschlossen, die einen herkömmlichen einpoligen Ein-Aus-Schalter zur Betätigung der Fern-Steuerεchaltung enthalten kann. Die positive und negative Klemme auf der rechten Seite des schematischen Schaltbilds, die durch den Kondensator C3 miteinander verbunden sind, sind ferner mit den Klemmen einer i15-V-Gleichspannungsqu£lle verbunden. Es ist möglich, sämtliche Stabilisierungs- oder Speiseschaltungen eines Leuchtetofflampen-Beleuchtungssystems in einem Gebäude aus einer einsigen 115-V-Gleichspannungsquelle zu ,speisen. Es ist ebenso möglich, je Speiseschaltung eine 120-V-Wecbselspannungsquelle vorzusehen und einen herkömmlichen phcisengesteuerten Halbleitergleichrichter, um die Wechsel- in Gleichspannung umzuwandeln und dann die Gleichspannung zu der positiven und negativen Klemme der Schaltung zu führen. Eine typische verwendbare Gleichrichterschaltung ist in der US-PS 3 769 545 gezeigt und beschrieben. Zur Erzeugung der erforderlichen Gleichspannung von 115 V kann eine beliebige herkömmliche Gleichrichterschaltung verwendet v/erden.
Fig. 2 zeigt einen Gegentakt-Oszillator mit zwei steuerbaren Halbleitergleichrichtern SCR1 und SCR2, einem Transfor mator TI und einer Frequenzsteuereinrichtung TG, die mit einer Fernsteuereinrichtung RC verbunden ist. Die Stabilisierungsschaltung kann mit der der Transistorschaltung identisch sein. Die Frequenzsteuerschaltung bzw. der Triggergenerator TG ist etwas komplizierter.
Die Schwingungen werden gestartet, wenn dem Steueranschluß des Gleichrichters SCR1 ein diesen einschaltender Impuls zugeführt wird. Eine Drossel L12 begrenzt den Einschaltstrom auf einen sicheren Wert. Eine Diode D13, ein Kondensator C12 und Widerstände R11 und R12 begrenzen die Spannungsänderungsgeschwindigkeit auf einen Viert, bei dem keine Umschaltfehler oder falschen Triggerungen eintreten. Die Drossel L13, die Diode D14, der Kondensator C13 und die Widerstände R13 und R11 haben die gleiche Funktion für den Gleichrichter SCR2.
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Der einen Hälfte der Sekundärwicklung des Ausgangstransformators T1 wird die volle Speisespannung zugeführt. Der Kondensator C11 wird über den Transformator4 Ϊ1 auf die doppelte Spannung aufgeladen.
Der herkömmliche Triggergenerator liefert dem Gleichrichter SCR2 zur geeigneten Zeit einen Steuerimpuls und schaltet ihn ein. Der Kondensator C11 entlädt sich über den Gleichrichter SCR1 und kehrt seinen Strom um, wodurch seine Ausschaltung eingeleitet v.rird. Nun wird die volle Speisespannung der anderen Hälfte der Primärwicklung zugeführt, so daß die Sekundärspannung umkehrt. Der Kondensator CII wird mit unigekehrter Polarität wiederum auf die doppelte Speisespannung aufgeladen.
Der Schwingungszyklus wird durch Ansteuerung des Gleichrichters SCR1 fortgesetzt. Bei gleichen SteuerIntervallen wird in die Sekundärwicklungen dors Transformators T1 ein Quadratwellen-Wechselstrorii induziert.
Die Dioden DI1 und D12 sowie die Drossel L11 liefern die überschüssige Energie in die Gleichspannungsqualle zurück. Der Kondensator CI4 sorgt für eine niedrige Impedanz der Wechselspannungsquelle und stellt einen zeitweiligen Energiespeicher für die überschüssige Energie dar.
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Claims (10)

1./Speiseschaltung für Niederdruck-Entladungslampen, g ekennze lehnet durch eine Gleichstromquelle, durch einen Wechselrichter (Ql, Q2) zur Umwandlung des Gleichstroms in hochfrequenten Wechselstrom, und durch eine Stabilisierungsschaltung (L1, C1).
2. Speiseschaltung nach Anspruch 1, dadurch g e-
k e η η ζ e ich η et, daß die Gleichstromquelle aus einem Gleichrichter besteht.
3. Speiseschaltimg nach Anspruch 1, dadurch g ekennzeichnet, daß der Wechselrichter aus einem frequenzstabilisierten Ossiilator besteht, der eine oder mehrere aktive Einrichtungen (QI, Q2; SCR1, SOIlZ)9 einen Transformator (T2), eine Starteinrichtung (D1) und eino Frequenzsteuereinrichtung enthält.
4. Speiseschaltung nach Anspruch 3, dadurch g ekennzeichnet, daß der Oszillator aus zwei in Gegentaktschaltung geschalteten Transistoren (0.1, Q2) besteht.
5. Speiseschaltung nach Anspruch 4, dadurch g ekennzeichnet, daß der Wechselrichter mit einer strorabegrenzenden Niederspannungs-Fernsteuereinrichtung (RC) zur Steuerung des Wechselrichters versehen ist.
6. Speiseschaltung nach Anspruch 5, dadurch g ekennzeichnet, daß die Fernsteuereinrichtung aus einem Schalter und einer zusätzlichen Windung (2T) am Steuertransformator (T1) besteht, die so ausgebildet und geschaltet sind, daß die Schwingungen gesperrt v/erden.
7. Speiseschaltung nach Anspruch 3, dadurch g ekennzeichnet, daß die Startschaltung ein
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Diac (DI) enthält, mittels dessen Stromimpulse der Basic eines der Transistoren (QI) zugeführt werden und dieser zum Start des Leistungsoszillatorzyklus in die Sättigung getrieben wird.
8. Speiseschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzei chnet, daß zwischen die Basen der Transistoren (Q1, 0.2) ein zweiter Trans-
formator (T2) geschaltet ist.
9. SpeiseSchaltung nach Anspruch 8, dadurch. g ekennzeichnet, daß die Steuerschaltung einen Schalter in einer Sekundärwicklung (4OT) enthält, die Teil des zweiten Transformators (T2) des Gegentakt-LeistungsOszillators ist.
10. Schalteinrichtung, gekennzeichnet durch zwei aktive Einrichtungen (QI, Q2), durch einen sättigbaren Transformator (T2), der zwischen die Basen der aktiven Einrichtungen geschaltet ist5 und durch eine Schalteinrichtung, mit der die c^kundärwicklung (40T) des sättigbaren Transformators kurzschließbar ist, wodurch die Primärwicklung (13T) des sättigbaren Transformators eine niedrige Impedanz erhält und der Basisstrom von den aktiven Einrichtungen weggeshunted wird.
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