DE3220301A1 - Umrichter - Google Patents

Umrichter

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DE3220301A1
DE3220301A1 DE19823220301 DE3220301A DE3220301A1 DE 3220301 A1 DE3220301 A1 DE 3220301A1 DE 19823220301 DE19823220301 DE 19823220301 DE 3220301 A DE3220301 A DE 3220301A DE 3220301 A1 DE3220301 A1 DE 3220301A1
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Germany
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charging
capacitor
voltage
switch
inverter
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DE19823220301
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English (en)
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Max Kerscher
Armin Dipl Ing Kroening
Peter Krummel
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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Description

  • Umrichter
  • Die Erfindung betrifft einen Umrichter gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Ein derartiger Umrichter ist in der deutschen Patentanmeldung P 30 29 672.1 (VPA 80 P 4410 DE) beschrieben; das Tastverhältnis für die Ansteuerung des Ladeschalters wird dabei von einem Regler bestimmt, dem als Sollwert die Halbwellenspannung des Gleichrichters zugeführt wird, was aber mit einem verhältnismäßig hohem Schaltungsaufwand erkauft ist.
  • Bei der erwähnten Schaltung muß ferner der Hochsetzsteller abgeschaltet werden, wenn dem Ladekondensator keine Energie entnommen wird, beispielsweise, wenn der Wechselrichter nicht schwi t.
  • Ziel der Erfindung ist, bei einem Umrichter der eingangs genannten Art die Steuerung des Ladeschalters zu vereinfachen; insbesondere soll diese so ausgebildet sein, daß sie den Hochsetzsteller bei nicht schwingendem Wechselrichter automatisch abschaltet und möglichst verlustarm arbeitet.
  • Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist bei einem solchen Umrichter dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerteil für den Ladeschalter des Hochsetzstellers durch die Rechteckspannung an einem der Schalter des Wechselrichters synchronisiert ist.
  • Bei der Erfindung arbeitet somit der Ladeschalter mit derselben Schaltfrequenz wie die Schalter des Wechselrichters, wobei die Steuerspannung für den Ladeschalter - z.B. über einen kapazitiven Spannungsteiler - von der Rechteckspannung an einem der Schalter des Wechselrichters abgeleitet ist. Fällt diese Spannung bei nichtschwingendem Wechselrichter weg, so bleibt auch der Ladeschalter des Hochsetzstellers offen. Bei einer Störung braucht daher nur der Wechselrichter abgeschaltet zu werden.
  • Das Tastverhältnis von Einschaltzeit des Ladeschalters zur Periodendauer, das einerseits die Spannung am Ladekondensator bestimmt, aber auch Rückwirkungen auf die Form des Netzstromes hat, ist vorzugsweise durch die Ladezeit eines Verzögerungsspeichers, insbesondere in Form eines Verzögerungskondensators, bestimmt, dessen Lade-oder Entladekreis zur Synchronisierung über einen der Schalter des Wechselrichters geführt ist: Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel kann die Einschaltzeit des Ladeschalters jeweils bis zum Ende der rechteckigen Spannung an einem der Schalter des Wechselrichters laufen, wobei ihr Beginn durch das Ende der Ladezeit des Verzögerungsspeichers auf einen Ansprechwert bestimmt ist, deren Anfang mit der erwähnten Rechteckspannung beginnt; die Einschaltzeit ist demnach um die Ladezeit kleiner als die halbe Periodendauer.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann aber die Einschaltzeit des Ladeschalters auch direkt durch die Ladezeit des Verzögerungsspeichers gegeben sein und mit dem Anfang oder Ende der Rechteckspannung an einem der Schalter des Wechselrichters beginnen.
  • Unter der Voraussetzung, daß die mittlere Spannung an dem Ladekondensator nur wenig größer als der Spitzenwert der Halbwellenspannung des Gleichrichters sein soll, variiert die Entladespannung (Differenz zwischen den Spannungen an dem Ladekondensator und an dem Gleichrichter) der Ladedrossel innerhalb einer Halbwelle der Netzwechselspannung sehr stark, was bei konstantem Tastverhältnis zu Abweichungen des Netzstromes von der Sinusform führt.
  • Um dies zu vermeiden, hat das Tastverhältnis in an sich bekannter Weise (DE-OS 26 52 275) im Mittelbereich jeder Halbwelle der Halbwellenspannung des Gleichrichters einen Minimalwert und im ersten und letzten Drittel der Halbwelle einen Maximalwert und ändert sich dazwischen in Steuerabhängigkeit vom Momentanwert dieser Halbwellenspannung oder der Spannung am Ladekondensator. Der Minimalwert ist dabei vorzugsweise so bemessen, daß sich die Ladedrossel bei Nennspannung an dem Ladekondensator und Belastung mit Nennlast vor jeder Aufladung vollständig entladen kann. Ferner i t es vorteilhaft, das Tastverhältnis auch vom Mittelwert der Spannung an dem Ladekondensator abhängig zu machen, um diese Spannung möglichst konstant zu halten.
  • Der Betrieb des Umrichters mit Halbleiterbauelementen erfordert zusätzlich eine Steuerleistung auf niedrigem Spannungsniveau. Diese wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weitgehend verlustfrei mit Hilfe eines .Spannungsteilers aus zwei Kondensatoren bereitgestellt, der parallel zu dem Ladeschalter und/oder einem der Schalter des Wechselrichters liegt und zugleich den Spannungsanstieg bei dem Öffnen des Schalters begrenzt, was bei Verwendung von Transistoren als Schalter zur Ausschaltentlastung beiträgt.
  • Der von dem Hochsetzsteller gespeiste Wechselrichter kann als Brückenschaltung mit vier Schaltern oder mit zwei Schaltern und zwei Kondensatoren ausgebildet sein; vorzugsweise handelt es sich dabei jedoch um einen Umschwingwechselrichter mit nur zwei Schaltern und einem Lastzweig, der dem Sekundär-Schalter parallel liegt und in Reihenschaltung einen Umschwingkondensator, die Last, einen Reihenresonanzkreis und die Primärwicklung eines Sättigungstransformators enthält. Der Sättigungstransformator weist dabei Sekundärwicklungen zur abwechselnden Durchsteuerung der beiden Schalter des Wechselrichters auf, wobei die durch den Sättigungstransformator bestimmte Betriebsfrequenz des Wechselrichters etwas über der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises liegt. Bei Verwendung von Transistoren als Schalter läßt sich dabei in Verbindung mit an sich bekannten antiparallel geschalteten Rückstromdioden eine Uberlappung der Schaltzeiten der Transistoren mit Sicherheit vermeiden. Der Startimpuls wird von einem Startkondensator über eine Trigger-Diode dem Primärschalter des Wechselrichters zugeführt.
  • Der Umrichter ist vor allem für den Betrieb von Entladungslampen mit vorheizbaren Elektroden geeignet, wobei der Kondensator des Serienresonanzkreises jeweils zwischen den beiden Elektroden einer Entladungslampe liegt.
  • Hierbei ist bei dauernd zündunwilliger Lampe für eine Abschaltung des Umrichters zu sorgen.
  • Dazu dient eine bistabile Schalteinrichtung, die durch ein Auslösesignal durchgeschaltet wird und einen Haltestromkreis aufweist, durch den dieser Schaltzustand bis zur Unterbrechung des Haltestromkreises aufrechterhalten wird. Erfindungsgemäß liegt eine der Elektroden der Entladungslampe oder die Reihenschaltung zweier Elektroden bei einer Zweilampenschaltung in diesem Haltestromkreis und im Ladestromkreis eines Startkondensators: Bei einem Lampenwechsel wird somit automatisch der Abschaltzustand beendet und der Lampenbetrieb wieder aufgenommen, ohne daß dazu die ganze Beleuchtungsanlage abgeschaltet zu werden braucht.
  • Vorzugsweise dient als Schalteinrichtung ein Stop-Thyristor, der den Startkondensator und eine Abschaltwicklung des Sättigungstransformators bei dauernd zündunwilliger Lampe kurzschließt und dadurch den Wechselrichter - und damit mittelbar auch den Hochsetzsteller - außer Betrieb setzt. Dieser Zustand bleibt bis zur Unterbrechung des Haltestromes des Stop-Thyristors, dessen Haltekreis hierzu über eine Elektrode der Entladungslampe und einen Vorwiderstand an die Versorgungsspannung, beispielsweise den Ladekondensator, gelegt ist: Beim Wechseln der Lampe wird dieser Stromkreis zwangsläufig unterbrochen und der Kurzschluß aufgehoben. Nach dem Einsetzen einer neuen Lampe kann sich der Startkon4nnsator wieder aufladen und der Umrichter nimmt automatisch seinen Betrieb wieder auf.
  • Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert; es zeigen FIG 1 ein erstes Ausführungsbeispiel, FIG 2 ein zweites Ausführungsbeispiel, das sich nur durch den Steuerteil links'der strichpunktierten Mittellinie von der Ausführungsform nach FIG 1 unterscheidet, FIG 3 den Verlauf der Halbwellenspannung des Gleichrichters G (gestrichelt) und den Verlauf des Stromes I1 durch die Ladedrossel, FIG 4a den Verlauf der Spannung Ul an der Ladedrossel, FIG 4b den Strom I1 durch die Ladedrossel, FIG 4c die Phasenlage der synchronisierenden Rechteckspannung UT1 beim Ausführungsbeispiel nach FIG 1, FIG 4d die Phasenlage der synchronisierenden Rechteckspannung am Primärtransistor beim Ausführungsbeispiel nach FIG 2, und FIG 5 ein drittes Ausführungsbeispiel.
  • Ein Gleichrichter G in Zweiwegschaltung ist eingangsseitig über ein nicht dargestelltes Filter an ein Wechselspannungsnetz (220 Volt / 50 Hertz) angeschlossen und speist ausgangsseitig über eine Ladedrossel L und eine Ladediode D einen Ladekondensator C. Parallel zu diesem ist die Reihenschaltung aus zwei abwechselnd durchschaltenden Transistoren eines Wechselrichters angeschlossen; der der Ladediode D benachbarte Transistor T3 wird im folgenden als Sekundärtransistor und der andere Transistor T1 als Primärtransistor bezeichnet. Parallel zu dem Sekundärtransistor T3 liegt ein Lastzweig mit einer Entladungslampe E, einem Serienresonanzkreis C2, L2, einem Umschwingkondensator Ci und der Primärwicklung L30 eines Sättigungstransformators in Reihenschaltung, wobei der Kondensator C2 des Serienresonanzkreises zwischen den beiden vorheizbaren Elektroden der Entladungslampe E liegt, die mit einer Elektrode direkt an den Ladekondensator C angeschlossen ist.
  • Der Sättigungstransformator weist zwei Sekundärwicklungen L31, -L32 sowie eine Abschaltwicklung L33 auf; die Sekundärwicklungen L31, L32 sind derart in die Steuerkreise von Primär- und Sekundärtransistor T1, T3 geschaltet, daß diese jeweils während der Ummagnetisierungszeit des Sättigungstransformators abwechselnd durchgesteuert werden. Hierbei ist der Sättigungstransformator so bemessen, daß die durch ihn bestimmte Betriebsfrequenz des Wechselrchters etwas über der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises liegt: Dadurch entstehen Lücken zwischen aufeinanderfolgenden Durchsteuerimpulsen, so daß ein gleich- zeitiges Leiten von Primär- und Sekundärtransistor und damit ein Kurzschluß der Spannung an dem Ladekondensator C ausgeschlossen ist. Für die Stromführung während der gleichzeitigen Sperrung beider Transistoren sind Rückstromdioden D1, D2 parallel zu jedem der Transistoren vorgesehen. Während der Durchschaltezeit des Primärtransistors T1 liegt die Spannung des Ladekondensators C an dem Lastzweig und führt zu einer Aufladung des Umschwingkondensators Cl mit der in der Figur angegebenen Polarität. Nach dem Sperren von T1 fließt der Strom über den Lastzweig, getrieben durch die Drossel L2 des Serienresonanzkreises, über die Rückstromdiode D2 weiter, bis T3 durchschaltet: Dann entlädt sich der Umschwingkondensator C1 über T3 und den Lastzweig, bis T3 wieder sperrt. Danach fließt der Laststrom in der gleichen Richtung über den Ladekondensator C und Rückstromdiode D1 bis zur erneuten Durchschaltung von T1 weiter. Der Verlauf der Rechteckspannung UT1 an dem Primärtransistor ist - idealisiert - in FIG 4c, 4d dargestellt.
  • Die beim Betrieb des Wechselrichters dem Ladekondensator C entnommene Energie wird diesem vom Gleichrichter G über die Ladedrossel L und die Ladediode D zugeführt. Beim Ausführungsbeispiel nach FIG 1 bilden hierzu der Primärtransistor T1 und ein Ladethyristor T2 in Serienschaltung einen Ladeschalter, über den die Ladedrossel L dem Gleichrichter G parallel geschaltet ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Ladethyristor T2 um eine Ausführung, die in Rückwärtsrichtung nicht sperrt, sondern Diodenverhalten hat: In diesem Fall kann dann die Rückstromdiode D2 entfallen, da ihre Funktion durch den Ladethyristor T2 -in Serienschaltung mit D - mit übernommen wird.
  • Eine Zündung des Ladethyristors T2 ist nur während der Durchschaitzeiten des Primärtransistors T1 des Wechselrichters möglich: Dementsprechend wird er im Zeitpunkt tl mit einer Verzögerungszeit a nach dem Durchschaltzeitpunkt tO des Primärtransistors T1 gezündet (vgl. FIG 4a bis 4c). Bis zur erneuten Sperrung von T1 liegt die Ladedrossel an der Halbwellenspannung des Gleichrichters G und nimmt Energie auf, die sie nach dem Sperren von Tl über die Ladediode D an den Ladekondensator C bzw. den daran angeschlossenen Wechselrichter und seinen Verbraucher abgibt. Das Auf- und Entladen der Ladedrossel verläuft somit synchron zu den Umschaltvorgängen des Wechselrichters, der. beispielsweise mit 40 kHz schwingt. Dementsprechend oft wird die Ladedrossel während einer Halbwelle der vom Gleichrichter G gelieferten Halbwellenspannung auf- und entladen, wobei der Strom 1L durch die Ladedrossel den schematisch dargestellten Verlauf hat. Die Stromimpulse werden von dem Filter vor dem Gleichrichter zu einem etwa sinusförmigen Netzstrom integriert, wobei das Filter wegen der hohen Schaltfrequenz relativ klein bemessen sein kann.
  • In FIG 4a und 4b sind der Verlauf der Spannung UL an der Ladedrossel L und ihr Strom IL während eines Auf- und Entladezyklus vergrößert dargestellt. Die Ladedrossel L wird immer gegen den Momentanwert der Halbwellenspannung aufgeladen, weshalb der Anstieg des Ladestromes entsprechend variiert. Für die Entladung der Drossel ist dagegen jeweils die Differenz zwischen dem Momentanwert der Halbwellenspannung und der praktisch konstanten Spannung an dem Ladekondensator C maßgebend, so daß' sich die längste Entladezeit bei maximalem Momentanwert ergibt. Das Tastverhältnis V von Einschaltzeit TL des Ladeschalters zur Periodendauer T hängt von der Verzögerungszeit a der Zündung des Ladethyristors T2 gegenüber dem Durchschaltzeitpunkt tO des Primärtransistors T1 ab und ist grundsätzlich so zu wählen, daß die von der Ladedrossel maximal aufgenommene Energie - also zum Zeitpunkt des Maximalwertes der Halbwellenspannung - vor der nächsten Aufladung vollständig über die Ladediode D abfließen kann. Nur dann gibt es beim Zünden des Ladethyristors T2 keinen Rückstrom über die Ladediode D und damit ein verlustfreies Schalten des Ladethyristors; ferner ist nur dann die kleinstmögliche Bemessung der Ladedrossel erreichbar.
  • Der Ladethyristor T2 wird synchron zu den Umschaltvorgängen des Wechselrichters gesteuert. Hierzu liegt dessen Steuerstrecke über eine Trigger-Diode D9 einem Verzögerungskondensator C6 parallel, der einerseits über eine Entladediode D8 parallel zu dem Sekundärtransistor T3 liegt und über den Primärtransistor T1, einen einstellbaren Entladewiderstand R1 und eine Entkopplungsdiode D7 an eine Steuerspannungsquelle angeschlossen ist. Letztere besteht aus einem Steuertransistor T5 und einem parallel dazu angeordnetem Speicherkondensator C5, der zusammen mit einer Diode D5 und einer Teilerkondensator C7 einen dem Primärtransistor T1 parallel liegenden Spannungsteiler bildet, der dementsprechend periodisch über T3 aufgeladen und über T1 entladen wird: Auf diese Weise entsteht an C5 eine praktisch verlustfrei von der hohen Spannung am Ladekondensator C abgeleitete niedrige Betriebs spannung, de-.ren Höhe durch eine Zener-Diode D6 begrenzt ist, die zugleich der Entladung von C7 dient. C5 und C7 begrenzen zugleich den Spannungsanstieg an T1 und bringen so eine Ausschaltentla stung.
  • Bei durchgesteuertem Sekundärtransistor T3 wird der Ladethyristor T2 über R5, D4 schnell gesperrt und der Verzögerungskondensator C6 über D8 entladen. Seine Aufladung beginnt damit ausgehend von einem definierten Potential mit Beginn der Durchsteuerung des Primärtransistors T1 im Zeitpunkt tO: Von da an entlädt sich nämlich der Speicherkondensator C5 über D7, Rl und den Primärtransistor T1 in den Verzögerungskondensator C6, dessen Spannung nach einer an Rl einstellbaren Verzögerungszeit a einen Wert erreicht, bei dem die Trigger-Diode D9 durchschaltet und den Ladethyristor T2 zündet. Diese einfache, synchronisierte Ansteuerung des Ladethyristors ist vor allem auch bemerkenswert, weil sich der Verzögerungskondensator C6 auf einem höheren Potential befindet als der Speicherkondensator C5.
  • An dem Speicherkondensator C5 liegt eine im wesentliche konstante Betriebs spannung, die auch für eine konstante Zeitverzögerung a sorgt. Die damit verbundenen, unterschiedlich langen Entladezeiten der Ladedrossel führen aber zu einer Abweichung des vom Wechselspannungsnetz aufgenommenen Stromes von der Sinusform, die umso größer ist, je weniger die Spannung am Ladekondensator. über dem Maximalwert der Halbwellenspannung des Gleichrichters liegt. Im Ergebnis ist der Netzstrom zu Beginn und zum Ende jeder Halbwelle etwas kleiner und im mittleren Bereich größer als der Wert eines sinusförmigen Stromes.
  • Eine weitgehende Annäherung läßt sich jedoch durch eine Veränderung der Betriebs spannung an dem Speicherkondensator C5 abhängig von der Größe der Halbwellenspannung erzielen. Hierzu ist dem C5 der Steuertransistor T5 parallelgeschaltet, dessen Steuerstrecke über eine Zener-Diode D3 an ein RC-Glied und dieses über eine Diode D15 an R6, R7 parallel zu dem Gleichrichter G angeschlossen ist. Die Schaltung ist dabei so bemessen, daß Transistor T5 nur im mittleren Bereich jeder Halbwelle der Halbwellenspannung des Gleichrichters G über die Zener-Diode D3 etwas durchgesteuert wird und dadurch die Spannung an dem Speicherkondensator C5 herabsetzt. Dadurch ergibt sich in diesem Mittelbereich eine mit dem Momentanwert der Halbwellenspannung steigende Verzögerungszeit a, was kürzere Strom- impulse und damit eine reduzierte Energie aufnahme der Ladedrossel zur Folge hat. Damit ist es andererseits möglich, im Bereich des Beginns und Endes jeder Halbwelle die Verzögerungszeit kleiner zu wählen und damit die vom Netz aufgenommenen Stromimpulse zu vergrößern, ohne daß sich die gewünschte Betriebsart der vollständigen Rückmagnetisierung der Ladedrossel ändert. Aus diesen Maßnahmen resultiert dann ein Netzstrom, der der Sinusform gut angenähert ist Die Verzögerungszeit a wird ferner abhängig von dem Ver-'lauf und der Größe der Spannung an dem Ladekondensator C beeinflußt; hierzu liegt das RC-Glied an der Steuerstrekke des Steuertransistors T5 über eine Diode D16 und einen Widerstand R71 auch an dem Ladekondensator C. Der Kondensator C4 des RC-Gliedes sorgt dabei für eine zusätzliche Glättung und eine solche Phasenverschiebung, daß die etwas wellige (100 Hz) Gleichspannung an ihm etwa synchron zu der Netzwechselspan;nling verläuft: Steigt somit die Spannung an dem Ladekonc,-nsator C über einen durch den Spannungsteiler und die Zener-Diode D3 bestimmten Wert, so wird über T5 die Verzögerungszeit vergrößert und somit die Ladedauer der Ladedrossel im mittleren Bereich jeder Halbwelle der Netzwechselspannung vermindert, was einer zusätzlichen Verbesserung der Sinusform des Netzstromes entgegenkommt.
  • Durch die beschriebene Regelung kann die Spannung an dem Ladekondensator einen bestimmten Grenzwert auch dann nicht überschreiten, wenn an ihn keine oder eine zu kleine Last, beispielsweise eine Lampe zu niedriger Leistung, angeschlossen ist.
  • Unter Weglassung von D15 und D16 kann man C4 über R71 und parallel dazu über Rl1 und C4' - gestrichelt dargestelltdirekt an den Ladekondensator C anschließen: Auch so erhält man eine Regelung der Spannung an C und wegen der Welligkeit dieser Spannung zugleich - bei entsprechender Bemessung von R1' und C4' - eine Kürzung der Ladezeit der Ladedrossel L im Mittelbereich der Halbwellen der Netzwechselspannung und damit eine bessere Annäherung des Netzstromes an die Sinusform.
  • Der Umschwingwechselrichter und anschließend der Hochsetzsteller beginnen erst zu arbeiten, wenn die Spannung an einem Startkondensator C8 einen solchen Wert erreicht hat, daß seine Energie über eine Trigger-Diode D13 auf die Steuerstrecke des Primärtransistors T1 geschaltet wird und dieser damit durchschaltet. Der Startkondensator C8 liegt hierzu einerseits über Widerstände R2, R4 und eine Elektrode der Lampe E an dem Ladekondensator C und andererseits über eine Diode D10 parallel zur Schaltstrecke des Primärtransistors T1: Nach dem Anlegen der Netzwechselspannung an den Gleichrichter lädt sich der Ladekondensator C über Ladedrossel und Ladediode und damit auch der Startkondensator C8 auf, bis der Primärtransistor T1 durchgezündet wird; dann wird zugleich der Startkondensator über D10 wieder entladen, so daß diese Startschaltung während des periodischen Schwingens des Wechselrichters nicht mehr eingreifen kann.
  • Beim Betrieb des Umrichters mit einer Entladungslampe E ist für eine Abschaltung des Umrichters zu sorgen, wenn die Entladungslampe dauernd startunwillig ist, also es nur zu wiederholten, erfolglosen Startversuchen kommt.
  • Zu diesem Zweck ist ein Stop-Thyristor T4 vorgesehen, dem eine Abschaltwicklung L33 des Sättigungstransformators über Dioden Dii, D12 und der Startkondensator C8 über R2 parallelgeschaltet ist und der seinen Haltestrom über die dem Ladekondensator C benachbarte Elektrode der Entladungslampe und einen Vorwiderstand R4 erhält.
  • An die Abschaltwicklung L33 ist über die Diode DII auch ein RC-Glied R3, C9 in Parallelschaltung angeschlossen, das wiederum über eine Trigger-Diode D14 der Steuerstrekke des Stop-Thyristors T4 parallel liegt. Die Funktion und Bemessung dieser Schaltung basiert auf der Tatsache, daß die Amplitude des über den Lastzweig mit der Entladungslampe fließenden und von der Abschaltwicklung L33 erfaßten Stromes bei ungezündeter Lampe (Resonanzfall) wesentlich größer ist als bei gezündeter Lampe (gedämpfter Resonanzkreis): Nach einer durch die Bemessung vorgebbaren Anzahl vergeblicher Startversuche hat sich C9 so weit aufgeladen, daß der Stop-Thyristor T4 über die Trigger-Diode D14 durchzündet und die Abschaltwicklung L33 kurzschließt. Damit entfallen die Steuerspannungen für die Transistoren des Wechselrichters und der Betrieb des Wechselrichters ist unterbrochen. Zu einer solchen Abschaltung führen jedoch weder die normalen Zündversuche noch der normale Lampenstrom, da hierbei die Spannung an C9 nicht den zur Durchsteuerung der Trigger-Diode D14 erforderlichen Wert erreie t.
  • Wegen der Syrichronsteuerung des Hochsetzstellers abhängig von der Rechteckspannung an den Schaltern des Wechselrichters, wird der Hochsetzsteller automatisch mit dem Wechselrichter ab- und nach dem Start des Wechselrichters wieder eingeschaltet.
  • Der Wechselrichter bleibt abgeschaltet, bis der Haltestrom des Stop-Thyristors T4 unterbrochen und dieser daher wieder in den Sperrzustand übergehen kann. Hierzu kann beispielsweise die Netzwechselspannung abgeschaltet werden. Sehr häufig ist jedoch eine Abschaltung das Resultat einer schadhaften Lampe, die ohne Abschaltung der Netzspannung gewechselt wird. Da auch der Stromkreis des Startkondensators C8 über eine Elektrode der Lampe geführt ist, schwingt der Umrichter nach dem Einsetzen einer neuen Lampe automatisch wieder an.
  • Das Auführungsbeispiel nach FIG 2 unterscheidet sich von dem nach FIG 1 lediglich durch die Ansteuerung des Ladeschalters T2', der hier als MOS-Leistungstransistor ausgeführt ist; die Schaltung rechts der strichpunktierten Linie ist mit dem entsprechenden Teil der FIG 1 identisch.
  • Zur Ansteuerung dient ein Komparator S, dessen Durchschalteingang + an einer Zener-Diode D19 liegt und über einen Widerstand R8 und parallelen Kondensator C10 dem Primärtransistor Tl parallelgeschaltet ist. Der Sperreingang - des Komparators liegt an einem Verzögerungskondensator C6', der über eine Entladediode D8' und einen Widerstand R65 ebenfalls dem Primärtransistor T1 parallel geschaltet ist. Zur Aufladung ist der Verzögerungskondensator C61 über einen Ladewiderstand R1' einerseits über einen nichtlinearen Widerstand R61, R62, Zener-Diode D18 an den Gleichrichter G und andererseits über einen Widerstand R64 - bei durchgeschaltetem Sekundärtransistor T3 -an den Ladekondensator C angeschlossen. Die durch eine Zener-Diode D17 begrenzte Spannung an dem VerzVgerungskondensator C6' ist somit von dem Momentanwert der Halbwellenspannung des Gleichrichters und der Spannung an dem Ladekondensator C abhängig. Die Zener-Diode D18 sorgt dabei dafür, daß die Aufladung von C6' abhängig von der Halbwellenspannung bei kleinem Momentanwert, also bei noch nicht leitender Zener-Diode D18, im Vergleich zur Aufladung durch die Spannung am Ladekondensator C zurücktritt. Bei größeren Momentanwerten der Halbwellenspannung und damit leitender Zener-Diode D18 überwiegt dagegen der Einfluß der Halbwellenspannung auf die Ladung von C6'.
  • Der parallel zum Primärtransistor T1 liegende Speicherkondensator C5 liefert die Betriebs spannung für den Kom- parator S und den Durchsteuerstrom für den Ladeschalter T2' und wird auf diese Weise periodisch entladen. Der Durchsteuerstrom für T2' fließt dabei über Transistoren T5 und T6 sowie eine Diode D21, wobei ein Transistor T7 gesperrt ist. Ein solcher Durchsteuerimpuls setzt voraus, daß die Spannung an C5 mindestens einen durch eine Zener-Diode D20 bestimmten Wert hat, damit der Transistor T5 durchgesteuert ist. Ferner muß der Transistor T6 von dem Komparator S mit positivem Potential angesteuert sein, was der Fall ist, wenn das Signal an dem Durchsteuereingang + größer als das an dem Sperreingang - ist. Ist Transistor T6 durch den Komparator durch Minus signal gesperrt, dann entfällt die Sperrvorspannung an R12 für den Transistor T7, über den dann ein Sperrimpuls für T2' fließt.
  • Zur Erläuterung der synchronen Ansteuerung des Ladeschalters T2' wird auf FIG 4b und 4d Bezug genommen: Bei der Sperrung des Primärtransistors T1 im Zeitpunkt tl liegt am Durchsteuereingang + es Komparators S sofort eine durch die Zener-Diode D19 gegebene, positive Referenzspannung. Die Spannung am Sperreingang - steigt dagegen erst langsam mit der Aufladung des zuvor entladenen Verzögerungskondensators C6' gegen einen durch die Halbwellenspannung UG und die Spannung am Ladekondensator C gegebenen Wert an. Somit ist das an dem Durchsteuereingang + liegende Signal größer, so daß der Komparator S vom Zeitpunkt tl an ein positives Durchsteuersignal liefert und damit der Ladeschalter T2' geschlossen ist. Nach einer von der Halbwellenspannung Ug und der Spannung an dem Ladekondensator abhängigen Zeit TL ist das Signal an dem Sperreingang - des Komparators S soweit angewachsen, daß jener umschaltet und ein negatives Sperrsignal an seinem Ausgang liefert, durch das der Ladeschalter T2' geöffnet wird.
  • Dieser Schaltzustand bleibt erhalten bis zur nächsten Sperrung von T1: Solange T1 noch gesperrt ist, liegen beide Eingänge des Komparators S über R1', R64 bzw. über R8 und weiter über D10, R2 und R4 an der Spannung des Ladekondensators C, wobei die Zener-Dioden D17 und D19 so bemessen sind, daß die Spannung am Sperreingang - größer ist als am Durchsteuereingang. Auf diese Weise ist auch eine Abschaltung von T2' bei dauernder Abschaltung des Wechselrichters gewährleistet.
  • Während der folgenden Durchsteuerzeit des Primärtransistors T1 wird der Verzögerungskondensator C6' über D8' und Widerstand R65 entladen, wobei die Zeitkonstante so groß ist, daß das Signal an C6' während der gesamten Durchsteuerzeit von T1 nicht unter die Spannung am Durchsteuereingang + fällt. Letztere Spannung ist zunächst durch die Entladung von Cl0 über D19 und R8 bestimmt und daher negativ; nach Entladung von C10 liegt das Potential am Durchsteuereingang + um den Spannungsabfall von D8' und R65 unter dem am Sperreingang -, so daß der Komparator S bis zur erneuten Sperrung von T1 den Ladeschalter T2' gesperrt hält.
  • Das dritte Ausführungsbeispiel nach FIG 5 wird im folgenden nur soweit behandelt, als es sich von dem nach FIG 2 unterscheidet: Der Hochsetzsteller - links der strichpunktierten Linie -arbeitet mit einem bipolaren Transistor T2", für dessen Steuerung eine negative Betriebsspannung erforderlich ist.
  • Diese und die positive Betriebs spannung an dem Speicherkondensator C5 werden auf folgende, verlustarme Weise erzeugt: Parallel zu dem Primärtransistor T1 des Wechselrichters liegt ein kapazitiver Spannungsteiler mit den Kondensatoren C7, C7', die sich bei gesperrtem T1 positiv aufladen, wobei der größte Teil der hohen Sperrspannung an T1 auf C7 mit der wesentlich kleineren Kapazität entfällt. Bei Durchsteuerung von T1 entlädt sich dann C7 in C7' und -bei entsprechender Größe seiner Spannung - über D27 in den Speicherkondensator CII, dessen Spannung durch eine Zener-Diode D26 begrenzt ist. Nach dem Anschwingen des Wechselrichters laden sich somit die Speicherkondensatoren C5 und C11 mit der angegebenen Polarität auf die positive bzw. negative Betriebsspannung auf; an C7' entsteht dagegen eine Rechteckspannung, die nach oben durch die Spannung an C5 und nach unten durch die an C11 begrenzt ist und zur Steuerung des Komparators S dient. Der Hochsetzsteller nimmt allerdings erst dann seinen Betrieb auf, wenn die positive Betriebsspannung an C5 ausreichend groß ist und somit T5 über Zener-Diode D20 und R10 durchgesteuert wird.
  • Der Speicherkondensatoi C5 bildet mit Diode D5' und Teilerkondensator C5' eine Reihenschalttmg, die parallel zum Ladeschalter T2" angeordnet ist und als Ausschaltentlastung wirkt. Bei'gesperrtem T2" laden sich somit diese beiden Kondensatoren auf, wobei der Großteil der Spannung an dem wesentlich kleiner bemessenen C5' liegt. Bei der folgenden Durchsteuerung von T2" entlädt sich dann C5' über Umschwingdrossel L3 in den Kondensator CII, der die negative Betriebsspannung liefert.
  • Der Verzögerungskondensator C6' am Minuseingang des Komparators S ist hier über den Ladewiderstand R1' in Reihe mit einem Kondensator C4' und parallel zu beiden über einen Widerstand R62' nur dem Ladekondensator C parallel geschaltet. Die Spannung an C6' ist somit sowohl vom Mittelwert - über R62' - als auch von dem Momentanwert -über C4' und R1' - der Spannung an dem Ladekondensator C abhängig. Der über C4' fließende, von der Welligkeit an Ladekondensator C abhängige Wechselstrom könnte zu einer Polaritätsumkehr der Spannung an C6' führen, was durch die Dioden D28, D29 verhindert wird; in positiver Richtung ist die Spannung an C6' durch D17' auf den Wert der positiven Betriebsspannung an C5 begrenzt.
  • Die Ansteuerung des Ladeschalters T2" abhängig von der Spannung am Verzögerungskondensator C6 ist funktionsgleich wie bei der Ausführung nach FIG 2; jedoch wird der Komparator S über R8 bzw. R65 und D8' nicht mit der hohen Rechteckspannung am Primärtransistor T1 sondern nur mit einem Bruchteil davon - am Steuerkondensator C7' abgegriffen - synchronisiert.
  • Im Ergebnis ist die Durchsteuerzeit von T2" und damit die Ladezeit der Ladedrossel L umso länger, je niedriger die Spannung am Ladekondensator C ist. Diese regelt sich auf einen Wert ein, der mit Hilfe des Spannungsteilers am Positiveingang des Komparators S einstellbar ist. Durch entsprechende Bemessung des RC-Gliedes R1', C4' erhält man eine solche Phasenschiebung, daß die Ladezeit der Ladedrossel und damit die Stromaufnahme vom Netz gerade im Mittelbereich der Halbwellen der Netzwechselspannung am geringsten ist, wodurch sich eine gute Annäherung des Netzstromes an die Sinusform ergibt.
  • Der Wechselrichter - rechts der strichpunktierten Linie -ist in diesem Ausführungsbeispiel mit zwei parallel geschalteten Lampen E, E' mit jeweils zugeordneten Serienresonanzkreisen C2, L2 und C2', L2' belastet. Wichtig ist hierbei die symmetrische Speisung der Lampenstromkreise, bei der der Umschwingkondensator CI am Verbindungspunkt der Elektroden der beiden Lampen angeschlossen ist. Der Haltestromkreis des Stop-Thyristors T4 und der Auflade- kreis für den Startkondensator C8 verläuft dagegen über R4, R4' und die unmittelbar miteinander in Reihe geschalteten Elektroden der Lampen.
  • Zur Abschaltung bei dauernd zündunwilliger Lampe werden hier die Spannungen an den Drosseln L2, L2' der Serienresonanzkreise ausgewertet und über Spannungsteiler und Entkopplungsdioden D22, D23 nach Art eines ODER-Gatters dem RC-Glied C9-, R3 zugeführt. Diese Spannungen sind bei dauernd zündunwilliger Lampe - im Resonanzfall - so groß, daß der Stop-Thyristor T4 über die Trigger-Diode D14 gezündet wird, der dann bis zu einem Auswechseln der schadhaften Lampe durchgesteuert bleibt. Er schließt damit die Abschaltwicklung L33' des Sättigungstransformators über Diode D21 und den Startkondensator C8 kurz und schaltet so den Wechselrichter ab. Da die Dioden D22 und D23 nach Art eines ODER-Gatters an das RC-Glied R3, C9 angeschlossen sind, kann die Abschaltbedingung durch jede der beiden parallel geschalteten Lampen - oder auch durch beide gleichzeitig - herbeige~<hrt werden.
  • Der Abschaltzustand bleibt erhalten, bis eine der beiden Lampen ausgewechselt und dadurch der Haltestromkreis von T4 unterbrochen wird. Mit dem Einsetzen einer neuen Lampe kann sich dann der Startkondensator C8 über R2, R4 und die in Reihe geschalteten Elektroden der beiden Lampen E, E' aufladen, so daß zunächst der Wechselrichter wieder anschwingt; kurz danach stehen ausreichend große Betriebsspannungen an C5 und CII für den Hochsetzsteller zur Verfügung, so daß auch dieser automatisch den Betrieb wieder aufnimmt.
  • Eine gealterte Lampe verhält sich wie ein Gleichrichter, ohne daß zuvor die Polarität festliegen würde. Dementsprechend kann an dem Umschwingkondensator C1 eine sehr hohe positive oder negative Spannung von rund 1000 V auftreten, durch die die Uberwachungsschaltung, insbesondere der Stop-Thyristor T4 gefährdet wäre. Daher dient eine Diode D24 in Reihe zu T4 zum Schutz bei negativer Uberspannung an C1; eine Diode D25 hält dagegen das Potential bei positiver Uberspannung auf dem Wert der Spannung an dem Ladekondensator C.
  • Auch die hier beschriebene Variante der Uberwachung und Abschaltung ist bei den Ausführungsbeispielen nach FIG 1 und 2 sowie losgelöst von der hier beschriebenen Steuerung des Wechselrichters und Hochsetzstellers mit Vorteil anwendbar.
  • Leerseite

Claims (21)

  1. Patentansprüche Umrichter mit einem von einem Wechselspannungsnetz gespeisten Gleichrichter (G), der eine ungeglättete Halbwellenspannung liefert, mit einem Hochsetzsteller, der einen über eine Ladediode (D) und eine Ladedrossel (L) an den Gleichrichter (G) angeschlossenen Ladekondensator (C) sowie einen Ladeschalter (T2, T2') aufweist, der durch ein Steuerteil periodisch mit von einer Steuergröße abhängigem Tastverhältnis (V) geschlossen wird und dadurch die Ladedrossel (L) an den Gleichrichter (G) schaltet, und mit einem von dem Ladekondensator (C) gespeisten Wechselrichter mit zwei abwechselnd durchgesteuerten Schaltern - nachfolgend als Primärschalter (T1) und Sekundärschalter (T3) bezeichnet -, die in Reihenschaltung parallel zu dem Ladekondensator (C) liegen, wobei die Schaltfrequenz des Ladeschalters (T2, T2') und der Schalter des Wechselrichters größer als die Frequenz des Wechselspannungsnetzes ist, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß =r Steuerteil für den Ladeschalter (T2, T2', T2") durch die Rechteckspannung an einem der Schalter (T1, T3) des Wechselrichters synchronisiert ist.
  2. 2. Umrichter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z'e i c h n e t , daß das Tastverhältnis (V) von Einschaltzeit (TL) des Ladeschalters (T2, T2') zur Periodendauer (T) durch die von der Steuergröße abhängige Ladezeit eines Verzögerungsspeichers (C6, C6') bestimmt ist, dessen Entladekreis über einen der Schalter (T1; T3) des Wechselrichters geführt ist.
  3. 3. Umrichter nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß im Ladekreis des Verzögerungsspeichers (C6) ein Ladewiderstand (R1),eine Ent- kopplungsdiode (D7), einer der Schalter (T1) des Wechselrichters, sowie eine Hilfsspannungsquelle liegen, und daß letztere von einem Speicherkondensator (C5) und parallel dazu von einem Steuertransistor (T5) gebildet ist, der in Steuerabhängigkeit von der Steuergröße steht (FIG 1).
  4. 4. Umrichter nach Anspruch D d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Verzögerungsspeicher ein Verzögerungskondensator (C6) ist, der über eine Trigger-Diode (D9) einen Thyristor (T2) steuert, der in Reihenschaltung mit dem Schalter (T1) des Wechselrichters, der in dem Ladekreis des Verzögerungskondensators (C6) liegt, den Ladeschalter bildet, und daß der andere Schalter (T3) des Wechselrichters und eine Entladediode (D8) im Entladekreis des Verzögerungskondensators (c6) liegen.
  5. 5. Umrichter nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Ladeschalter (T2) von einem Komparator (S) gesteuert wird, der mit einem Eingang (-) an den Verzögerungsspeicher (C6') angeschlossen ist, der mit der Steuergröße geladen wird (FIG 2, 5).
  6. 6. Umrichter nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Komparator (S) den Ladeschalter (T2') öffnet, wenn das Signal an dem an seinem Sperreingang (-) liegenden Verzögerungsspeichers (C6') größer als das an seinem Durchschalteingang (+) ist.
  7. 7. Umrichter nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Durchschalteingang (+) des Komparators (S) an einem Spannungsteiler (R8, D19) und dieser entweder direkt oder über einen Teilerkondensator (C7) eines kapazitiven Spannungsteilers (C7, C7') parallel zu dem Schalter (T1) des Wechselrichters liegt, der im Entladekreis des Verzögerungsspeichers (C6') angeordnet ist.
  8. 8. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Tastverhältnis (V) der Ansteuerung des Ladeschalters (T2, T2', T2") im Mittelbereich jeder Halbwelle der Halbwellenspannung des Gleichrichters (G) einen Minimalwert und im ersten und letzten Drittel einer solchen Halbwelle einen Maximalwert hat und sich dazwischen in Steuerabhängigkeit von der Steuergröße ändert, die vom Momentanwert der Halbwellenspannung oder der Spannung am Ladekondensator (C) abhängig ist.
  9. 9. Umrichter nach Anspruch 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Minimalwert des Tastverhältnisses (V) so bemessen ist, daß die Ladedrossel (L) bei Nennspannung am Ladekondensator (C) und Nennbelastung des Wechselrichters vor jeder Aufladung völlig entladen ist.
  10. 10. Umrichter nach Anspruch 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n t , daß der Maximalwert des Tastverhältnisses (V) wenigstens im ersten und im letzten Viertel jeder Halbwelle der Halbwellenspannung des Gleichrichters (G) konstant ist.
  11. 11. Umrichter nach einem der Ansprüche 8 bis 10, d a -d u r ch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Tastverhältnis (V) auch vom Mittelwert der Spannung an dem Ladekondensator (C) negativ abhängig ist, d.h., mit steigender Spannung an diesem Ladekondensator fällt.
  12. 12. Umrichter nach Anspruch 11, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Verzögerungsspeicher (C6') über einen Ladewiderstand (R1') und einen Sondensator (C4') und parallel dazu über einen weiteren Widerstand (R62') dem Ladekondensator (C) parallelgeschaltet ist.
  13. 13. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wechselrichter als Umschwingwechselrichter mit einem Lastzweig ausgebildet ist, der einen Umschwingkondensator (cd), die Last (E), einen Reihenresonanzkreis (C2, L2) und die Primärwicklung (L30) eines Sättigungstransformators in Reihenschaltung enthält und der parallel zu dem Sekundärschalter (T3) liegt, daß Primär- und Sekundärschalter durch Sekundärwicklungen (L31, L32) des Sättigungstransformators abwechselnd durchgesteuert werden, und daß die Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises (C2, L2) etwas unter der durch den Sättigungstransformator bestimmten Betriebsfrequenz des Wechselrichters liegt.
  14. 14. Umrichter, insbesondere nach Anspruch 13, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Last (E) des Umschwingwechselrichters mindestens eine Entladungslampe mit heizbaren Elektroden ist, daß eine bistabile Schalteinrichtung vorgesehen ist, die auf ein Auslösesignal anspricht und dadurch den Umrichter abschaltet und sich selbst in diesem Schaltzustand durch einen Haltestromkreis hält, in dem eine der Elektroden der Lampe liegt.
  15. 15. Umrichter nach Anspruch 14, g e k e n n z e i c h -n e t durch einen Startkondensator (C8), der über einen Widerstand (R2, R4) und je eine Elektrode der vom Wechselrichter gespeisten Lampen (E, E') in Reihenschaltung parallel zum Ladekondensator (C), über eine Trigger-Diode (D13) parallel zur Steuerstrecke des Primärschalters (T1) und über eine Entladediode (D10) parallel zu dessen Schaltstrecke liegt.
  16. 16. Umrichter nach Anspruch 15, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß bei einer Zweilampenschaltung von jeder Lampe (E, E') eine Elektrode in Reihenschaltung in dem Haltestromkreis der bistabilen Schalteinrichtung (T4) und im Ladekreis des Startkondensators (C8) liegt.
  17. 17. Umrichter nach Anspruch 15 oder 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als bistabile Schalteinrichtung ein Stop-Thyristor (T4) dient, dessen Schaltstrecke über je eine der Elektroden der Entladungslampen und einen Vorwiderstand (R4) parallel zu dem Ladekondensator (C) und dessen Steuerstrecke über eine Trigger-Diode (D14) an einem RC-Glied (C9, R3) liegt, dem über eine Entkopplungsdiode ein vom Strom oder der Spannung im Lampenkreis abgeleitetes Signal zugeführt wird, daß eine Abschaltwicklung (L33') des Sättigungstransformators und das RC-Glied über Entkopplungsdioden (D11, D21) parallel zur Schaltstrecke des Stop-Thyristors (T4) liegen, wobei die Schaltung so bemessen ist, daß der Stop-Thyristor (T4) nur bei dauernd startunwilliger Entladungslampe zündet.
  18. 18. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 17, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die positive Betriebsspannung für den Steuerteil von einem Speicherkondensator (C5) geliefert wird, der über eine Entkopplungsdiode (D5) parallel zu einem Steuerkondensator (C7') liegt, der mit einem Teilerkondensator (C7) einen kapazitiven Spannungsteiler parallel zum Primärschalter (T1) des Wechselrichters bildet.
  19. 19. Umrichter nach Anspruch 18, d a-d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Spannungsteiler an den Eingängen des Komparators (S) an den Steuerkondensator (C7') angeschlossen sind.
  20. 20. Umrichter nach Anspruch 18, gek e n n z e ich -n e t durch einen Speicherkondensator (C71) für eine negative Betriebsspannung, der über eine Entkopplungsdiode (D27) und den Teilerkondensator (C7) dem Primärtransistor (T1) des Wechselrichters parallel geschaltet ist, wobei die Entkopplungsdiode (D27) so gepolt ist, daß sich der Teilerkondensator (C7) bei durchgesteuertem Primärtransistor (T1) in den Speicherkondensator (C11) entladen kann.
  21. 21. Umrichter nach Anspruch 20, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Reihenschaltung aus Speicherkondensator (C5) für die positive Betriebsspannung und der Entkopplungsdiode (D5') einerseits und die Reihenschaltung des Speicherkondensåtors (C11) fürMdie negative Betriebsspannung und einer Umschwingdrossel (L3) andererseits über einen Teilerkondensator (C5') dem Ladeschalter (T2, T2', T2") parallel geschaltet sind.
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