DE3140175A1

DE3140175A1 - Transistorvorschalt-geraet

Info

Publication number: DE3140175A1
Application number: DE19813140175
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl Ing Manchen
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1981-10-08
Filing date: 1981-10-08
Publication date: 1983-04-28

Description

Transistorvorschaltgerät
Die Erfindung bezieht sich auf ein Transistorvorschaltgerät, wie es im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 näher definiert wird.
Die bekannten Vorschaltgeräte dieser Art sind allgemein selbstgesteuerte Geräte mit bipolaren Transistoren, und der Wechselrichtertransformator weist zur speziellen Drossel einsparung eine integrierte Strombegrenzung über sein Sdeufeld auf. Der Transformator hat damit eine Doppelfunktion,nämlich die der Spannungsübersetzung unSider Strombegrenzung. Derartige Schaltungen sind relativ schwer auszulegen, da sie sich nur unzureichend berechnen lassen. Geringfügige Änderungen einer bereits ausgelegten Schaltung ergeben lästige Nachentwicklungszeiten. Darüber hinaus geben der bisher erzielte Wirkungsgrad und das Bauvolumen des Transformators Anlass zu weiteren Verbesserungswünschen. Das Bauvolumen der Transformatoren noch weiter zu veFleineri st relativ schwierig, da man bereits bei Grössen angelangt ist, bei der jede weitere Verkleinerung schon Verluste an Kühloberfläche bedeutet, was wiederum die überlastungsfähigkeit des Wechselrichters herabsetzt.
Eine weitere Verkleinerung der Baugröße kann somit nur Hand in Hand mit einer Verkleinerung der Verlustleistung gehen.
Aufgabe der Erfindung ist es aus diesen gewonnenen Erkenntnissen heraus ein Vorschaltgerät zu konzipieren, daß nicht nur kleiner und kostenreduziert produziert werden kann, sondern auch bei erhöhtem Wirkungsgrad und universeller Einsetzbarkeit eine überschaubare bare Schaltung aufweist.
Diese Aufgabe wird für ein Transistor-Vorschaltgerät der eingangs genanntenArt nach der Erfindung gemäß den kennzeichnenden Merkmaleneinspruches 1 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Anhand eines schematischen Ausführungsbeispieles wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 den Stromlaufplan eines Transistorvorschaltgerätes (primärseitig) Fig. 2 den.Stromlaufplan sekundärseitig Fig. 3 ein Arbeits-Funktionsdiagramm Nach Figur 1 liegt die Eingangs spannung + UE über eine Ein- -gangsfilterschaltung mit Drossel 1, Kondensator 2 sowie Z-Diode 3 an der Mittelanzapfung der Primärwicklung 4 eines Wechselrichterstransformators 5. Die Eingangsfilterschaltung 1,2,3 schützt die Anordnung vor Spannungsspitzen und Stromwelligkeiten aus dem Netz. Eine Gegentaktschaltung mit -wegen ihrer geringen Steuerleistung-unipolaren Schalttransistoren 6 und 7 legt die Enden der Primärwicklung- 4 abwechselndan Masse. Gesteuert werden die zwei Schalttransistoren 6 und 7 (z. B. MOSFettransistoren) von einem Schaltregler- Baustein 8 (z. B. des Typs 1524). Am Schaltregler-Baustein 8 ist bei Pin a ein frequenzbestimmender Kondensator 9 angeschlossen, der durch eine interne Konstantstromquelle geladen wird. Mittels eines externen Festwiderstandes 10 und eines externen variablen spannungsabhängig gesteuerten Widerstandes 11 wird der Lades;trom bestimmt und damit die Frequenz beeinflußbar. Bei konstantem Widerstand 11 gibt der Schaltregler-Baustein 8 eine konstante Frequenz ab. Bei Widerstanderniedrigung dagegen erhöht sich die Frequenz und umgekehrt. Als spannungsabhängig gesteuerterWiderstand 11 kann z. B. die Drain-Source-Strecke eines MOSFettransistors dienen, dessen Gate-Strecke über einenSpannungsteiler 12,13 eine eingangsproportionale Spannung zugeführt bekommt. An den Ausgängen 14,15 des Schaltreglerbausteins 8 stehen somit frequenzvariable Steuerimputire jictalttransitoren 6 und 7 zur Verfügung. Neben der eingangsproportionalen Spannung wird dem spannungsabhängigen Widerstand 11 noch über die Anschlüsse 28 eine dem sekundärseitigen Iststrom 1ist entsprechende Spannung zugeführt. Darauf wird noch im Verlauf der weiteren Beschreibung eingegangen.
Figur 2 zeigt den sekundärseitigen Stromlaufplan des Vorschaltgerätes. Mit 16 ist darin eine zu speisende Leuchtstofflampe bezeichnet, die von zwei Sekundär-Heizwicklungen 17,18 Heizspannung und von einer Sekundär-Arbeitswicklung 19 Arbeitsspannung erhält. Mit 20 ist noch eine Zündhilfswicklung dargestellt, die zum Starten der Leuchtstofflampe 16 einen Zündschirm 21 beaufschlagt. Die Arbeitsspannung wird zeitverzögert, nach einem Vorheizen der Heizwendeln der Leuchtstofflampe,über Zeitschalter 22 zugeschaltet. Das ergibt einen Spannungsstoß durch Summation von ArbeitsspannunUgnSer Ladespannung eines über den Zündhilfskreis mit Wicklung 20 und Gleichrichter 32 aufgeladenen Zündkondensators 23. Bei normalen Betriebsbedingungen ist das im allgemeinen füriZundung der Leuchtstofflampe 1-6 ausreichend.
Tiefe Temperaturen können eine Zündung eventue4dverhhindern bzw. verzögern. Aus diesem Grunde arbeitet man zum Starten der Leuchtstofflampe 16 noch gern mit Spannungsüberhöhung.
Zweckmäßig wird dazu die eingangs erwähnte Eingangsfilterschaltung unter besonderer Auslegung der LC-Glieder 1,2 verwendet. Die Drossel 1 wird überdimensioniert und die Kapazität des Kondensators 2 bewußt kleingehalten. Bei nichtgezündeter Leuchtstofflampe 16 (geringe Dämpfung) tritt dann ein Uberschwingen des Kondensators 2 auf, was im Vorheizzustand eine 1,Sfache Überhöhung an Punkt X der Schaltung und sekundärseitig eine Überhöhung der Sekundärspannung bis auf ca. 600 V erbringt. Im gezündeten Zustand (hohe Dämpfung) reduziert sich diese Spannung dann wieder auf die Brennspannung von ca. 100 V. Die Filterwirkung dieses Kreises wird zwar während der Zündphase dadurch verringert, erhöht sich aber danach wieder infolge der großen Dämpfung bei gezündeter Leuchtstofflampe. Die in dieser Zeit durchgelassene größere Welligkeit ist unkritisch und wird durch die Erfindung aufgefangen. Die im Vorheizzustand zusätzlich wünschenswerte hohe Heizleistung wird über die durch die Kondensatoren 24,25 in den Vorheizkreisen, die jeweils mit den Heizwicklungen 17,18 in Reihe liegen und Reihenresonanzkreise bilden, erbracht. Diese sind auf eine der 1,Sfachen Spannungsüberhöhung entsprechende 1,5fache höhere Frequenz als die Betriebsfrequenz abgestimmt. Nach Zündung der Leuchtstofflampe 16 gehen Eingangs spannung und davon abhängig die Frequenz auf Normalwerte zurück. Die Frequenz ist stromabhängig und eine Strombegrenzung erforderlich. Zur Erfassung des Lampenstroms bei Zündung und Dauerbetrieb dient ein Stromwandler 26, dessen Bürdenwicklung 27 an die Strombegr-enzereingänge 28 auf der Primärseite des Wechselrichters (Figur 1) führt. Die Widerstände 29 und 30 dienen als Bürdenwiderstände. Abgriffe führen an den Schaltregler 8 und den spannungsabhängig gesteuerten Widerstand 11.
Zur Funktion: Es sei angenommen, daß der Transistorwechselrichter bereits schwingt und die Leuchtstofflampe 16 zugeschaltet werden soll. Zunächst ist der Zeitschalter 22 noch offen und nur die Wendeln der Leuchstofflampe 16 werden vorgeheizt. Ein Lampenstrom wird vom Wandler 26 noch nicht erfaßt (die Leuchtstofflampe brennt noch nicht), es erfolgt also noch keine Frequenzänderung durch den Wandler. Durch die geringe Dämpfung hat sich wie vorstehend bereits beschrieben am Punkt X eine 1,5fach überhöhte Eingangsspannung und auch sekundärseitig eine erhöhte Spannung eingestellt, die an den Wendeln anliegt. Die überhöhte Eingangs spannung wird über den Spannungsteiler 12,13 dem spannungsabhängigen Widerstand 11 zugeführt, der über den Schaltregler 8 die Betriebsfrequenz entsprechend (1,fach) erhöht. Das führt infolge der auf h8here Frequenz abgestimmten Reihenresonanzkreise in den Wendelkreisen zu erhöhten Vorheizströmen.
Mit Ablauf der ZeitverzögerungsSLießt der Zeitschalter 22 und die Summe der Spannungen an Sekundärwicklung 19 und Kondensator 23 sollte die Lampe 16 zünden. Erfolgt keine Zündung sollte die Heizleistung weiter hochbleiben. Die Spannung an Punkt X bleibt weiterhin erhöht, ebenso die Frequenz. Über Wandler 26 kann in diesem Stadium kein Lampenstrom erfaßt werden, der die Arbeitsfrequenz reduziert.
Erst bei Zündung der Leuchtstofflampe 16 wirkt sich der Wandlerstrom strom- und frequenzbegrenzend aus. Auch die Spannung an Punkt X wird dann auf Normalwerte zurückgeführt.
Der Lampenstrom Iist wird vom Wandler 26 erfaßt und wirkt sich unter Rückkopplung auf den Eingang 28 zum Schaltregler 8 und spannungsabhängigen Widerstand 11 und der Frequenz- und Spannungsvariation strombegrenzend aus. Der Serienschwingkreis 31,23 wirkt unterstützend in diesem Sinne und hält einen definierten Lampenstrom konstant.
Figur 3 zeigt in einem Diagramm die Funktion der Impefidanz Z des sekundären Arbeitsschwingkreises 31/23 über der Arbeitsfrequenz f. Der Arbeitsbereich wird so in den hinteren geradlinigen Teil der Kurve gelegt, daß sich die Impedanz linear erhöht wenn die Frequenz ansteigt. Parameter ist bei einer gewählten konstanten Kapazität die Induktivität. Es sind zwei verschiedene Resonanzpunkte y und z für zwei verschiedene Induktivitäten (z. B. 9,31 mH und 5 mH) dargestellt.
Es wird ersichtlich, daß die Steigungswinkel zu z/#f über die Dimensionierung des Serienschwingkreises 31,23 bestimmt werden kann. Die beiden Resdnanzpunkte y und z liegen oberhalb von 0Q und sind konstant. Sie ohmschen Lampenwiderstand des Kreises wieder. Die Frequenz wird nach der Erfindung in Abhängigkeit von der Eingangs spannung bestimmt und über die gewählte Frequenz undoeiinkel der Steigung der Lichtstrom stabilisiert. Ein 24 V-Vorschaltgerät arbeitet z. B. in einem Betriebiereich von 19,2 - 30 V. Der mittlere Lichtstrom wird für 24 V konstant gehalten. Die Verlustleistung I2-R steigt bei Überspannung nicht an, d.h. das Gerät arbeitet stets mit gleichem Wirkungsgrad.
Besonders vorteilhaft für die Transformatorbaugröße und Reproduzierbarkeit der Schaltung wirkt sich aus, daß der Transformator nur für reine Spannungstransformation und für die niedrigste Frequenz des sehr hoch gewählten Frequenzbereiches um 30 - 40 kHz ausgelegt zu werden braucht. Die gestellten Aufgaben werden durch die Erfindung voll erfüllt.
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Claims

Patentansprüche Transistorvorschaltgerät für die Speisung von Leuchtstofflampen aus Gleichspannungsnetzen, insbesondere schwankenden Bordnetzen mit einem Gegentaktwechselrichter, dessen Transformator eine angezapfte Primärwicklung und mehrere Sekundärwicklungen für Vorheizung, Arbeitsspannung und Zündhilfsspannung aufweist, dadurch qekennzeichnet,daß die Arbeitsfrequenz des Wechselrichters größer als 20 kMz vorzugsweise zwischen 20 und 40 kHz gewählt und annähernd linear abhängig von den Schwankungen der Eingangsspannung (UE) gehalten wird und daß über die Frequenzänderung der Lampenstrom mittels eines im sekundären Arbeitsstromkreis des Wechselrichter-Tranformators (5) liegenden ausgewählten Serienresonanzkreises (31, 23) konstant gehalten wird, wobei ein ffi adliniger Teil der Resonanzkurve für den Arbeitsbereich Verwendung findet.-
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwankungen der Eingangsspannung (UE) über einen Schaltregler (8), der die Wechselrichter-Transistoren (6,7) fremdsteuert, in Frequenzänderungen des Wechselrichters umsetzbar sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltregler (8) ein integrierter Baustein mit innerem Oszillator Verwendung findet, der durch eine äussere Beschaltung in seiner Frequenz variierbar ist, wobei ein spannungsabhängiger Widerstand (11) vorgesehen ist, der durch die Eingangsspannung (UE) oder einen dieser Spannuntproportionalen Wert beeinflußt wird.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als spannungsabhängigs Widerstand (11) die Drain-Sourcestrecke eines MOSFET-Transistors dient, dessen Gate an eine heruntergeteilte (12,13) Eingangsspannung (UE) angeschlossen ist.
5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Serienresonanzkreis (31,23) des sekundären Arbeitsstromkreises echselrichter-Transformators (5)ein übertrager OX zur Arbeitsstromerfassung und -begrenzung angeordnet ist, dessen Sekundär- oder Bürdenwicklung (27) einerseits über den spannungsabhängigen Widerstand (11) und andererseits unter Zwischenschaltung eines Spannungsteilers (29,30) auf den Schaltregler (8) rückko lnd -wirksam ist.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsgleichspannung (UE) über eine Eingangsfilterschaltung (1,2,3) zugeführt wird, wobei durch Unterdimensionierung und überschwingen des Querkondensators (2) bis zur ausreichenden Sekundärbedämpfung durch die mündende Leuchtstofflampe (16) eine zeitweilige Spannungserhöhung zur Vergrößerung der Zündwillig- ~ keit vorgesehen ist.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorheizgkreise der Leuchtstofflampe (16) jeweils zu Serienresonanzkreisen (17,24 und 18,25) ausgebildet sind, wodurch die Vorheizströme durch die beim Startvorgang künstlich hochgehaltene Arbeitsfrequenz bestimmt werden.