DE3236856A1

DE3236856A1 - Stromversorgungsschaltung fuer leuchtstofflampen

Info

Publication number: DE3236856A1
Application number: DE19823236856
Authority: DE
Inventors: Thomas E Hester
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1981-10-09
Filing date: 1982-10-05
Publication date: 1983-04-21
Also published as: BR8205907A; IT8249223A0; FR2514600A1; GB2108338A; JPS5875794A; AU8870282A

Description

TER MEER · MÜLLER · STEINMElSTER Litton TU 81-1

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgungsschaltung für Leuchtstofflampen o.dgl., insbesondere nach der Definition im Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Obwohl Beleuchtungskörper wie Metall-Halogenlampen, Quecksilberdampflampen, Hoch- und Niederdrucknatriumlampen oder Leuchtstofflampen alle mit dem Ziel der wirtschaftlichen Energieausnutzung entwickelt wurden, werden trotz laufend steigender Energiekosten noch nicht alle gegebenen Möglichkeiten zur Energieeinsparung und damit zur Kostensenkung auf der Beleuchtungsseite ausgenutzt.

Neben zahlreichen bekannten elektromagnetischen Vorschaltgeräten und Stromversorgungsschaltungen für die aufgeführten Beleuchtungskörper gibt es seit einiger Zeit auch schon einige elektronische Vorschaltgeräte, die mit dem Ziel der Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und Erhöhung der Lampenlebensdauer entwickelt wurden.

In diesem Zusammenhang wird insbesondere auf die auf die gleiche Anmelderin zurückzuführende US-PS 4 277 726 hingewiesen, in der ein elektronisches Vorschaltgerät insbesondere für Schnellstart-Leuchtstofflampen offenbart ist. Darin wird die Netzwechselspannung gleichgerichtet, durch eine Transistor-Oszillatorschaltung in eine Wechselspannung mit hoher Frequenz umgesetzt und damit die Primärwicklung eines Transformators gespeist, der auf seiner Sekundärseite eine höhere Wechselspannung zur Speisung, einer oder mehrerer Leuchtstofflampen abgibt.

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Die aus der in der US-PS 4 277 726 bekannte und in Fig. 1 der anliegenden Zeichnung schematisch dargestellte Stromversorgungsschaltung stellt zwar gegenüber früheren Schaltungen einen Fortschritt dar, ist aber relativ aufwendig und läßt auch im Hinblick auf weitere Energiesparmöglichkeiten noch Wünsche offen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem angegebenen Stand der Technik verbesserte und insbesondere Möglichkeiten zur Erhöhung der Betriebswirtschaftlichkeit von Lampen wie Leuchtstoffröhren u.dgl. bietende Stromversorgungsschaltung zu schaffen.

Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe ist kurz gefaßt im Patentanspruch 1 angegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der Grundgedanke der Erfindung geht dahin, die Netzspannung mehrphasig, vorzugsweise dreiphasig aufzunehmen und durch eine Mehrphasen-Vollweg-Gleichrichterschaltung in eine gleichgerichtete Speisespannung umzusetzen, die durch eine Transistor-Wechselrichterschaltung in eine Lampenversorgungsspannung .umgewandelt wird.

Da voll-gleichgerichteter Dreiphasenwechselstrom eine wesentlich geringere Welligkeit hat als gleichgerichteter Einphasenwechselstrom, ist ein Siebglied (Pi-Filter) zur Harmonisierung der Welligkeit überflüssig.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachstehend unter Bezug auf eine Zeichnung, die auch eine Darstellung zum Stand der Technik enthält, in beispielsweiser Ausführungsform

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näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die den Stand der Technik bildende aus der US-PS 4 277 726 bekannte Stromversorgungsschaltung,

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Stromver

sorgungsschaltung für Leuchtstofflampen,

Fig. 3,4 und 5 grafische Darstellungen zum Wirkungsgrad, zu den Verlusten und dem Leistungsfaktor der erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung, und Fig. 6 und 7 Schaltbilder je einer Einphasen- und einer Dreiphasen-Versuchsschaltung nach Fig. 1 bzw. Fig. 2, mit denen die in Fig. 3 bis 5 angegebenen Daten erzielt wurden.

Die den Stand der Technik für die vorliegende Erfindung bildende, in Fig. 1 dargestellte und aus der US-PS 4 277 726 bekannte Einphasen-Stromversorgungsschaltung zum schnellen Starten von Leuchtstofflampen enthält eine aus vier Dioden bzw. Gleichrichtern 21 bis 24 gebildete Gleichrichter-Brückenschaltung zur Umwandlung einer Einphasen-Netzwechselspannung in eine Gleichspannung, der aus bekannten Gründen eine Welligkeit von

48% bei doppelter Netzfrequenz von z.B. 2 χ 60Hz überlagert ist. (Siehe hierzu beispielsweise "Reference Data For Radio Engineers", 4^th Ed., ITT, NY/1964, Seite 306).

Um diese stark wellige gleichgerichtete Spannung wenigstens einigermaßen zu glätten, ist der Gleichrichter-Brückenschaltung ein aus einer Induktivität 31 und zwei Kondensatoren 32, 33 bestehendes Pi-Filter nachgeschaltet.

Die dem Pi-Filter entnommene geglättete gleichgerichtete Spannung wird durch eine unter anderem zwei Schalttransistoren 1 und 3 und einen Transformator 5 mit diversen Primärwicklungen, einer Hochspannungs-Sekundärwicklung 11 und zwei Nieder-

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spannungs-Sekundärwicklungen 13, 15 (für die Heizfäden von zwei zu versorgenden Leuchtstofflampen 41 und 43) enthaltende Wechselrichterschaltung in eine hochfrequente Wechselspannung,

umgesetzt. mit der die Leuchtstofflampen gespeist werdeny Zur Ansteuerung der Schalttransistoren ist eine Darlingtonschaltung 30 verwendet .

Das in Fig. 2, worin mit der herkömmlichen Schaltung in Fig. 1 vergleichbare Einzelheiten die gleichen Bezugszeichen tragen, schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung 100 für zwei Gasentladungsbzw. Leuchtstofflampen 41 und 43 enthält eingangsseitig eine aus sechs Gleichrichterelementen bzw. Dioden 102, 104, 106, 108, 110 und 112 gebildete Dreiphasen-Vollweg-Gleichrichterschaltung, welche eine aus drei Netz-Eingangsanschlüssen A, B, C bezogenes öO-Hz-Dreiphasen-Wechselspannung in eine zwischen zwei Leitungen 114 und 116 verfügbare Gleichspannung umsetzt, deren Willigkeit nachweisbar (siehe die oben angegebene Literaturstelle auf Seite 307) bei 4,2% mit der sechsfachen Netzfrequenz, also 360Hz, liegt.

Weil durch die erfindungsgemäße Dreiphasen-Vollweggleichrichtung eine weitgehend brummspannungsfreie Gleichspannung erzeugt wird, sind die in der bekannten Schaltung (Fig. 1) notwendigen Filterelemente 31, 32, 33 überflüssig. Die Gleichspannung kann daher direkt in den Verknüpfungspunkt der Induktivität 10 mit den Widerständen, 35 und 37 (siehe Fig. 1 und 2) eingespeist werden.

Der in Fig. 1 vorhandene einfache Netzschalter kann bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung beispielsweise durch einen geeigneten Dreiphasen-Netzschalter (z.B. nach USA-Klasse 2510 Typ K) wie Motorstartschalter ersetzt werden, der auch größenmäßig an dem vorhandenen Platz untergebracht werden kann.

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Der Wechselrichterteil der Stromversorgungsschaltung in Fig. 2 stimmt in seiner Funktion und dem Aufbau weitgehend mit dem der herkömmlichen Schaltung von Fig. 1 überein und wird daher nachstehend nur kurz.erläutert. Die Schaltung in Fig. 1 ist in der US-PS 4 277 726 ausführlich behandelt, auf die hiermit verwiesen wird.

Die Wechselrichterschaltung enthält zwei NPN-Schalttransistoren 1 und 3 in Verbindung mit einer Anzahl von in Reihe geschalteter Z-Dioden 8 und einem Transformator 5, der primärseitig eine Wicklung 7 mit Mittelanzapfung, eine Rückkopplungswicklung und eine Niederspannungswicklung 19 und sekundärseitig eine Wicklung 11 für die Lampenspannung sowie weitere Wicklungen 13, 15 und 17 besitzt. Die Sekundärwicklungen 13, 15 und 17 dienen der Speisung der Heizwicklungen der beiden angeschlossenen Leuchtstofflampen 41 und 43, die ihre Start- und Betriebsspannung aus der Wicklung 11 erhalten.

Ferner enthält die Wechselrichterschaltung in Fig. 2 einen der Wicklung 7 parallelgeschalteten Kondensator 4 von z.B. 2nF, eine Induktivität 10 mit z.B. 3OmH, die u.a. der Spannungsbeeinflussung der Primärwicklung 7 dient, eine Diode 26, einen Kondensator 28 von z.B. 10μΡ, Widerstände 35 und 36 mit 470 k Ohm bzw. 330 Ohm und Kondensatoren 38, 45 und 47 mit 470 bzw. 6,2 bzw. 6,2nF.

In den Leitungen 114 und 116 liegt zwischen der Gleichrichterschaltung und der Wechselrichterschaltung je eine Drossel 120 bzw. 122 mit je 1 mH, um höherfrequente Schwingungen, die in der Wechselrichterschaltung erzeugt werden, vom Netz fernzuhalten.

Die erfindungsgemäße Stromversorgungsschaltung gemäß Fig. 2 hat gegenüber der herkömmlichen Schaltung in Fig. 1 diverse Vorteile.

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Durch den. Wegfall-des sonst eine Induktivität und zwei größere Kondensatoren erfordernden Gleichstromfilters werden Kosten gespart und die Zuverlässigkeit sowie der Wirkungsgrad erhöht. Dagegen fällt der Einsatz eines Dreiphasen-Vollweggleichrichters nicht ins Gewicht. Die für das Filter in Fig. 1 erforderlichen großen Kondensatoren waren üblicherweise Elektrolytkondensatoren, die dem Fachmann statistisch als schwaches und ausfallträchtiges Bauelement bekannt sind. Der Fortfall dieser Elemente bedeutet einen wesentlichen Fortschritt in Bezug auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der erfindungsgemäßen Schaltung.

Die zur Verhütung von Reflektieren der Oszillatorfrequenz in das Netz vorhandenen Filter-Drosseln 114 und 116 sind sehr kleine und billige Ausführungen, die auch nicht zur Unterdrückung des Netzbrummens getränkt sein müssen.

T5 Der höhere Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Schaltung in Fig. ist dadurch begründet, daß in dem Gleichrichterfilter 31, 32, der herkömmlichen Halbleiter-Schaltung von Fig. 1 sog. I²R-Verluste diirch den induzierten Widerstand, Magnetflußverluste im Eisenkern der Induktivität 31 sowie zusätzliche kapazitive Verluste in Gesamthöhe von etwa 5% auftreten. Da diese Leistungsverluste

sich temperaturerhöhend auswirken, kann durch die erfindungsbedingte Vermeidung solcher Verluste automatisch die Betriebstemperatur der gesamten Stromversorgungsschaltung reduziert und. damit ein zusätzlicher Schritt in Richtung auf eine Erhö-25: hung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer derartiger Schaltungen getan werden.

Um die Vorzüge und Überlegenheit der erfindungsgemäßen Schaltung (s. Fig. 2) gegenüber dem in Fig. 1 enthaltenen Stand der Technik zu belegen, wurde eine Einphasen-Stromversorgungs-<

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schaltung nach Fig. 1 vom Typ B140RS von Firma Triad/Utrad in Huntington, Indiana, USA in einer Meßschaltung gemäß Fig. 6 geprüft und deren Daten in Fig. 3 bis 5 mit den Ergebnissen verglichen, die mit einem Versuchsmuster der erfindungsgemäßen Schaltung gemäß Fig. 2 in einer in Fig. dargestellten Meßschaltung erzielt worden sind.

Aus Fig. 3 bis 5 ist deutlich zu entnehmen, daß die Dreiphasen-Stromversorgungsschaltung einen deutlich besseren Wirkungsgrad, weniger Verluste und einen besseren Leistungsfaktor hat.

Die erfindungsgemäße Dreiphasen-Stromversorgungsschaltung ermöglicht auch eine energiewirtschaftlich sehr erwünschte gleichförmige Belastung aller drei Netzphasenstränge. Normale Lichtanlagen u.dgl. werden in großen Bürogebäuden u.dgl. immer nur auf einzelne Phasenstränge verteilt und belasten diese, da ihre Einschaltzustände individuell und stets unterschiedlich sein werden, mitunter sehr ungleichmäßig.

Der durch die Erfindung erzielbare hohe Wirkungsgrad und die gleichförmige Phasenbelastung gestatten die Installation von mehr Lampen pro Stromkreis und damit als zusätzlichen Vorteil eine Senkung der Installationskosten.

Claims

TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER

PATENTANWÄLTE — EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-Ing. H. Steinmeister τΑ^ί ^MÜIIer Artur-Ladebeck-Strasse 51

D-8OOO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1

Case: TU 81-1

Mü/Gdt/b 5. Oktober 1982

LITTON SYSTEMS, INC. 360 N. Crescent Drive, Beverly Hills, California 90210, USA

Stromversorgungsschaltung für Leuchtstofflampen

Priorität: 9. Oktob er 1981, USA, Ser.No. 310 258

PATENTANSPRÜCHE

η .) Stromversorgungsschaltung für Leuchtstofflampen und dergleichen, die zu ihrem Betrieb eine Startspannung und eine Betriebsspannung benötigen, mit

- einer Gleichrichterschaltung zur Umwandlung einer Netzwechselspannung in eine gleichgerichtete Versorgungsspannung und

- einer Transistor-Wechselrichterschaltung zum Erzeugen der Lampenstart- und -betriebsspannung,

dadurch gekennzeichnet, daß die gleichgerichtete Versorgungsspannung einer an ein Mehrphasen-Wechselstromnetz (A, B, C) angeschlossenen Mehrphasen-Vollweg-Gleichrichterschaltung (102 ... 112) entnommen wird.

BAD

TER MEER ·· MÜLLER · STglNrpEIQTER J '; , Litton TU 81-1
2. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die zugeführte Netzwechselspannung dreiphasig ist.
3. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichterschaltung (1, 3, 5 ... ) eine Wechselspannung mit einer relativ hohen Frequenz abgibt.
4. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß den angeschlossenen Lampen (41, 43) zuerst eine Startspannung und, nachdem sie gestartet sind, eine Betriebsspannung zugeführt wird.
5. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Gleichrichterschaltung (102 ... ) und der Wechselrichterschaltung eine Induktivität (120, 122) zur Unterdrückung von der Arbeitsfrequenz der Wechselrichterschaltung bzw. deren Oberwellen entsprechenden Spannungsanteilen angeschlossen ist.