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Hochfrequenz-Helligkeitssteuerung
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für Leuchtstofflampen Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Helligkeitssteuerung
für mindestens eine Leuchtstofflampe mit einer Gleichspannungsquelle, mit einem
dieser nachgeschalteten Wechselrichter und mit einem Leuchtstofflampenkreis auf
der Ausgangsseite des Wechselrichters.
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Eine derartige Hochfrequenz-Helligkeitssteuerung ist in der DE-OS
31 37 796 beschrieben. Bei der bekannten Helligkeitssteuerung liegt am Ausgang des
Wechse l,-ichters im Lampensteuerkreis ein gleichstromgesteuerter Transduktor, der
zusammen mit einer parallel zu einer Leuchtstofflampe geschalteten Drossel einen
induktiven Spannungsteiler bildet.
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Die vorbekannte Helligkeitssteuerung ist insofern nicht voll befriedigend,
als einerseits der Transduktor ein relativ teures, schweres und umfangreiches Bauelement
ist und andererseits im Transduktor und in der Drossel erhebliche Verluste auftreten.
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Aus der DE-PS 28 08 261 ist es ferner bekannt, in einer Schaltungsanordnung
zum Zünden und zum Betrieb einer Leuchtstofflampe mit vorheizbaren Elektroden einen
transistorisierten Wechselrichter einzusetzen, wobei jedoch nicht auf eine Helligkeitssteuerung
hingearbeitet wird sondern auf eine sichere Zündung der Leuchtstofflampen bei tiefer
Umgebungstemperatur und bei verringerter Ausgangsspannung der den Wechselrichter
speisenden Gleichspannungsquelle. Aus der veröffentlichten EP-Patentanmeldung 0080751
ist es außerdem bekannt, die Helligkeit von Leuchtstofflampen in einzelnen, insbesondere
in zwei diskreten Schritten zu steuern, indem man eine im Lampenstromkreis liegende
Induktivität entweder überbrückt oder nicht. Bei dieser Schaltungsanordnung sind
mehr als zwei Helligkeitsstufen nicht oder nur schwer zu realisieren, so daß die
bekannte Helligkeitssteuerung für eine kontinuierliche Steuerung der Helligkeit
nicht geeignet ist.
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Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine verlustarme, relativ einfache und kompakte Hochfrequenz-Helligkeitssteuerung
anzugeben, die eine kontinuierliche Steuerung der Helligkeit mindestens einer,vorzugsweise
jedoch mehrerer Leuchtstofflampen, innerhalb weiter Grenzen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird bei einer Hochfrequenz-Helligkeitssteuerung der
eingangs angegebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Helligkeitssteuerkreis
vorgesehen
ist, mit dessen Hilfe das Tastverhältnis und/oder die Frequenz des Ausgangssignals
des Wechselrichters zur Steuerung der Leuchtstofflampenhelligkeit veränderbar ist.
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Ein wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Helligkeitssteuerung besteht
dabei darin, daß durch den direkten Zugriff auf den Wechselrichter selbst einerseits
mit im Vergleich zum Lampenstrom schwachen Steuersignalen gearbeitet werden kann,
die mittels relativ einfacher Halbleiterschaltungen gegebenenfalls unter Einsatz
handelsüblicher integrierter Schaltungen erzeugt werden können Außerdem kann auf
einen Eingriff in den Lampensteuerkreis bzw. in den Lampenstromkreis auf der Ausgangsseite
des Wechselrichters verzichtet werden, so daß durch die Steuerung auch keine zum
Lampenstrom proportionale und damit entsprechend hohe Verluste auftreten können,
die zu einer übermäßigen Erwärmung der Leuchtstofflampen und ihrer Umgebung führen
könnten.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Helligkeitssteuerung besteht
darin, daß bei einer Lampe der Steuertransformator entfallen und die erforderliche
Steuerleistung mittels einer zusätzlichen Wicklung aus der Drossel entnommen werden
kann.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden bachstehend
anhand von Zeichnungen noch näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer bevorzugten
Ausführungsform einer Hochfrequenz-Helligkeitssteuerung gemäß der Erfindung; Fig.
2 ein detaillierteres Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer Helligkeitssteuerung
gemäß der Erfindung; Fig. 3a grafische Darstellungen des Signalbis verlaufs an wesentlichen
Punkten Fig. 3e der Schaltung gemäß Fig. 2 und Fig. 4 ein detailliertes Schaltbild
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer Helligkeitssteuerung gemäß der
Erfindung.
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Im einzelnen zeigt das Blockschaltbild gemäß Fig. 1 eine übersicht
über eine bevorzugte Ausführungsform einer Hochfrequenz-Helligkeitssteuerung gemäß
der Erfindung. Die Steuerung besitzt zwei Eingangsklemmen 10, 12, an denen beispielsweise
die übliche Netzwechselspannung von 220 V bei einer Frequenz von 50 Hz anliegt.
Diese Wechselspannung wird in einer Gleichrichterschaltung 14 gleichgerichtet, welche
ausgangsseitig eine Gleichspannung für einen selbstschwingenden oder fremdgesteuerten
Wechselrichter 16 liefert, der mit einer relativ hohen Frequenz von beispielsweise
20 bis 120 kHz arbeitet und als Ausgangssignal eine Rechteckimpulsfolge erzeugt,
welche an ein oder mehreren Leuchtstofflampen 18 wirksam wird (beim Ausführungsbeispiel
sind zwei Leuchtstofflampen 18 gezeigt), die jeweils als Dämpfung in einen Serienresonanzkreis
aus einer Induktivität 20 und einer Kapazität 22 eingefügt sind, der einerseits
mit dem Ausgang des Wechselrichters 16 und andererseits über eine weitere Kapazität
24 mit Bezugspotential verbunden ist. In die Ausgangsleitung des Wechselrichters
16 ist die Primärwicklung eines Hilfstransformators 26 eingefügt, welcher die Speisespannung
für einen Helligkeitssteuerkreis 28 liefert, welcher das Kernstück der erfindungsgemäßen
Helligkeitssteuerung darstellt.
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Mit Hilfe des Helligkeitssteuerkreises 28, zu dem ein entsprechendes
Stellorgan (nicht dargestellt) gehört, können ein oder beide Ausgangstransistoren
des
Wechselrichters erfindungsgemäß derart angesteuert werden,
daß sich das Tastverhältnis und/oder die Frequenz der Rechteckimpulse am Ausgang
des Wechselrichters 16 in einem weiten Bereich ändert, so daß sich auch die Helligkeit
der Leuchtstofflampen 18 über einen weiten Bereich steuern lässt.
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Der besondere Vorteil der direkten Ansteuerung der Gegentakt-Ausgangsstufe
des Wechselrichters 16 durch den Helligkeitssteuerkreis 28 besteht dabei darin,
daß im Lampenstromkreis selbst keine zusätzlichen Bauelemente, wie z.B. Transduktoren
oder nachgeschaltete schnelle Tyristoren, zur Helligkeitssteuerung erforderlich
sind.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Helligkeitssteuerung besteht
darin, daß mehrere Leuchtstofflampen 18 an einen einzigen gesteuerten Wechselrichter
angeschlossen werden können. Dabei werden die Kathoden der Leuchtstofflampen 18
wegen der jeweils parallel geschalteten Kapazität 22 geheizt, wobei der Kapazitätswert
der Kapazitäten 22 auf den Röhrentyp abgestimmt und so gewählt ist, daß durch die
Kapazität 22 der übliche Zündkondensator ersetzt wird. Hinsichtlich der Kathodenheizung
der Leuchtstofflampen 18 wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Lampensteuerkreises
selbst insbesondere erreicht, daB bei verringerter Helligkeit eine verstärkte Beheizung
stattfindet, was sich vorteilhaft auf die Lebensdauer der Leuchtstofflampen
auswirkt.
Außerdem sind auch die Startbedngungen für den Zündvorgang der Leuchtstofflampen
18 erfindungsgemäß sehr günstigt, da sich an den Kathoden der Leuchtstofflampen
18 zunächst eine hohe Zündspannung und damit auch ein hoher Heizstrom ergibt, so
daß die Lampen zuverlässig zünden und Kaltstarts vermieden werden.
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Sobald die Leuchtstofflampen 18 gezündet haben, geht der Heizstrom
dann aber wegen der gegenüber der Zündspannung verringerten Brennspannung der Leuchtstofflampen
18 wieder auf den normalen Wert zurück.
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Bei der erfindungsgemäßen Helligkeitssteuerung beträgt das Tastverhältnis
der Rechteck-Impulsfolge am Ausgang des Wechselrichters 16 1:1, wenn die Leuchtstofflampen
18 so angesteuert werden, daß sie mit der vollen Helligkeit leuchten.
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Mit Hilfe des Helligkeitssteuerkreises 28 besteht erfindungsgemäß
die Möglichkeit, einen Transistor des Wechselrichters zu sperren, ehe eine Halbschwingung
vollständig ausgeführt ist bzw. ehe der betreffende Rechteckimpuls am Ausgang des
Wechselrichters 16 normalerweise beendet würde.Dadurch wird die Periodendauer einer
vollen Schwingung - Impuls plus Pause - verkürzt bzw. die Impulsfolgefrequenz erhöht,
während gleichzeitig der von der Gleichstromquelle aufgenommene Strom bzw. der Mittelwert
des zu den Leuchtstofflampen 18 fließenden Stroms verringert wird. Dabei kann das
Tastverhältnis - das Impuls/Pausen-Verhãltnis - am
Ausgang des
Wechselrichters bis auf etwa 1:10 verringert werden, was gegenüber einem Tastverhältnis
von 1:1 einer Verringerung der von den Leuchtstofflampen 18 erzeugten Lichtstärke
um mehr als den Faktor 10 entspricht, da der Mittelwert des auf genommenen Stroms
um mehr als den Faktor 10 zurückgeht.
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Alternativ kann der Helligkeitssteuerkreis 28 auch so ausgebildet.werden,
daß beide Ausgangstransistoren des Wechselrichters 18 alternierend angesteuert werden,
wobei ein Tastverhältnis von 1:1 erhalten bleibt, wobei aber die Impulsfolgefrequenz
am Ausgang des Wechselrichters 16 erhöht wird, was wiederum zu einer Reduzierung
des Lampenstroms und damit zu einer Reduzierung der von den Leuchtstofflampen 18
abgesteuerten Lichtmenge führt.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Arbeitsprinzips besteht
darin, daß durch die unmittelbare Steuerung mindestens eines der Ausgangstransistoren
des Wechselrichters 16 lediglich Schaltverluste im Wechselrichter 16 und Ummagnetisierungsverluste
in den Drosseln bzw.
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Induktivitäten 20 auftreten, während die übrigen Schaltkreise der
Steuerung praktisch verlustfrei arbeiten.
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Die vorstehend skizzierte Funktion der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Helligkeitssteuerung
soll nachstehend
anhand von Fig. 2 noch näher erläutert werden,
wo die Elemente des Helligkeitssteuerkreises 28 und die damit verbundenen Elemente
des Wechselrichters 16 detailliert dargestellt sind.
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Im einzelnen wird aus Fig. 2 deutlich, daß der Wechselrichter 16 als
Ausgangstransistoren zwei MOS-FET-Transistoren 30 und 32 aufweist, deren Schaltstrecken
in Serie zueinander und in Serie mit einem Widerstand 34 zwischen dem positiven
Ausgangsanschluß + und dem negativen Ausgangsanschluß - des Gleichrichters 14 liegen.
Bei dem Wechselrichter 16 gemäß Fig. 2 handelt es sich um einen selbstschwingenden
Wechselrichter, bei dem die Selbsterregung durch die Ansteuerung der Transistoren
30,32 mittels eines übertrages 36 erreicht wird, welcher drei Wicklungen W1, W2
und W3 aufweist.
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Dabei liegt gemäß Fig. 3a an der Wicklung W1 eine näherungsweise sinusförmige
Spannung UWl an. Diese Spannung wird der Basis eines Transistors 38 über einen Widerstand
40 zugeführt. Hierdurch wird am Kollektor des Transistors 38 gemäß Fig. 3b eine
Rechteck-Spannung U30 erzeugt, die über einen Kondensator 42 an die Basis eines
weiteren Transistors 44 angelegt wird und diesen so lange in den gesperrten Zustand
steuert, bis der Kondensator 42 über einen Widerstand 46 ausreichend entladen ist.
Der Verlauf der Spannung über dem Kondensator 42 bzw. an der Basis des Transistors
44 ist als Spannung Uc in Fig. 3c dargestellt, und man erkennt, daß die Entladezeit
für den Kondensator 42
bei vorgegebenem Widerstandswert des Widerstandes
46 durch Änderung einer Steuer spannung Ust vom Abgriff eines als Stellorgans dienenden
Potentiometers 48 variiert werden kann. Im einzelnen wird die Entladung des Kondensators
42 bei einer Erhöhung der Steuerspannung U st beschleunigt, so daß der Transistor
44 dessen Kollektorspannung U44 in Fig. 3d dargestellt ist, gegenüber der ersten
Periode in Fig. 3 in der zweiten Periode bereits nach einer kürzeren Zeit wieder
leitend gesteuert wird. Da der Leistungs- bzw. Ausgangstransistor 32 jeweils für
das Zeitintervall leitend gesteuert wird, in dem der Transistor 44 gesperrt ist,
kann folglich durch Erhöhung der Steuerspannung Ust eine Verkürzung der über den
Lampenstromkreis fließenden Rechteck-Impulse und damit eine Verringerung des Mittelwerts
des Lampenstroms erreicht werden, wobei gleichzeitig die Impulsfolgefrequenz am
Ausgang des Wechselrichters 16 erhöht wird und umgekehrt. Der zeitliche Verlauf
des von dem Wechselrichter 16 aufgenommenen Stromes i ist dabei in Fig. 3e dargestellt.
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Bei der Schaltung gemäß Fig. 2 dient der in Serie zu den Transistoren
30,32 liegende Widerstand 34 als Messwider stand für eine der Strombegrenzung dienende
Schutzschaltung, die einen weiteren Transistor-50 mit einem zugehörigen Basiswiderstand
52 umfasst, dessen Kollektor über eine Diode 54 mit der Basis des Transistors 44
verbunden ist und bei einem Uberstrom aufgrund der dann über dem Widerstand 34 abfallenden
Spannung
leitend gesteuert wird und nunmehr seinerseits den Transistor
44 vorzeitig leitend steuert, wodurch der Transistor 32 gesperrt wird. Die vorstehend
beschriebene Strombegrenzung ist in der betrachteten Schaltung vor allem beim Zünden
der Leuchtstofflampen 18 wichtig und schützt während dieser Betriebsphase die Ausgangstransistoren
30,32 des Wechselrichters 16 gegen eine Überlastung.
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Wenn ausgehend von der Schaltung gemäß Fig. 2 eine Frequenzsteuerung
erreicht werden soll, dann muß der Helligkeitssteuerkreis 28 derart ausgebildet
werden, daß die beiden Ausgangstransistoren 30,32 des Wechselrichters 16 in jeder
Halbperiode jeweils alternierend über den Steuerkreis 28 gesperrt werden. Zu diesem
Zweck kann ein entsprechendes Steuersignal, beispielsweise über einen Optokoppler
oder einen übertrager und einen nachgeschalteten Transistor an die Steuer- bzw.
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Gate-Elektrode des Ausgangstransistors 30 angelegt werden, wobei dieser
Transistor in derselben Weise gesteuert wird wie der Transistor 32, jedoch jeweils
in der zweiten Halbperiode und über ein zweites, durch die Steuerspannung Ust steuerbares
Zeitglied.
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Bei dieser Art der Steuerung bleibt das Tastverhältnis von 1:1 stets
unverändert erhalten, und es wird lediglich die Frequenz des Wechselrichters erhöht,
so daß der von diesem aufgenommene Strom vermindert und die.
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Helligkeit der Leuchtstofflampen 18 entsprechend
verringert
wird. Diese Frequenzsteuerung des Gegentaktwandlers bzw. des Wechselrichters 16
hat gegenüber der Impulsbreitensteuerung den Vorteil, daß die Einschaltdauer des
Ausgangstransistors 32 nicht so kurz wird wie bei der Impulsbreitensteuerung; andererseits
ist jedoch der schaltungstechnische Aufwand für eine Frequenzsteuerung etwas höher.
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Fig. 4 zeigt eine weitere vorteilhafte Variante einer erfindungsgemäßen
Hochfrequenz-Helligkeitssteuerung.
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Bei der Schaltung gemäß Fig. 4 ist der Wechselrichter 16 als fremdgesteuerter
Wechselrichter ausgebildet, dessen Ansteuerung beim Ausführungsbeispiel über die
Wicklung W3 des Transformators 36 erfolgt. Im einzelnen liegt die Wicklung W3 am
Ausgang eines Ansteuergenerators 60, welcher vorzugsweise als spannungsgesteuerter
Oszillator (VCO) ausgebildet ist, so daß die Frequenz seines Ausgangssignals durch
die Höhe der an seinem Eingang 62 anliegenden Steuerspannung USt bestimmt wird.
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Der Ansteuergenerator 60 liefert ausgangsseitig eine Treppenimpulsfolge,
die vorzugsweise so geformt ist, daß sich zwischen der Sperrung des einen Ausgangstransistors
30 und dem Durchschalten des anderen Ausgangstransistors 32 (bzw. umgekehrt) jeweils
eine gewisse Totzeit ergibt. Dabei muß die Signalfrequenz des Ansteuergenerators
60 für die Frequenzsteuerung des Wechselrichters 16 auf die den Leuchtstofflampen
18 zugeordneten Induktivitäten und Kapazitäten 20 bzw.22, 24 abgestimmt werden.
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Wenn gleichzeitig eine Frequenz- und Impulsbreitensteuerung erfolgen
soll, dann wird durch geeignete Wahl der Steuerspannung Ust im Ansteuergenerator
60 die Signaldauer für das Einschalten des einen Ausgangstransistors 32 verkürzt,
wodurch wie bei dem selbst schwingenden Wechselrichter 16 gemäß Fig. 2 die Stromaufnahme
verringert und die Frequenz erhöht wird. Auch bei der Schaltung gemäß Fig. 3 ist
wieder der Messwiderstand 34 vorgesehen, der bei einem Überstrom dafür sorgt, daß
die Ansteuerung des Wechselrichters 16 durch den Ansteuergenerator 60 kurzzeitig
unterbrochen wird.
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