DE3517248A1

DE3517248A1 - Schaltungsanordnung zum betrieb von gasentladungslampen mit hoeherfrequentem strom

Info

Publication number: DE3517248A1
Application number: DE19853517248
Authority: DE
Inventors: Hans-Günther 5190 Stolberg Ganser; Ralf Dr. 5100 Aachen Schäfer; Hans-Peter Dr. 5190 Stolberg Stormberg
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1985-05-13
Filing date: 1985-05-13
Publication date: 1986-11-13
Also published as: US4888524A; DE3669429D1; JPS61260598A; EP0201973B1; EP0201973A1

Description

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH ~3~ PHD 85-065

Schaltungsanordnung zum Betrieb von Gasentladungslampen mit höherfrequentem Strom

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von Gasentladungslampen mit höherfrequentem Strom aus einem an eine Netzwechselspannung-squelle angeschlossenen Schaltnetzteil mit e,inem Schalttransistor, dessen Tastverhältnis und/oder Schaltfrequenz von einer Steuereinrichtung bestimmt wird, welche den mit einem Stromsensor abgetasteten Lampenstrom-Istwert mit einer der Steuereinrichtung zugeführten Sollwertspannung vergleicht und das Tastverhältnis und/oder die Schaltfrequenz des Schalttransistors in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Istwertspannung und Sollwertspannung steuert.

Eine derartige Schaltungsanordnung erzeugt einen im Takt der Netzfrequenz pulsierenden Gleichstrom, dem eine von der Schaltfrequenz des Schalttransistors abhängige Hochfrequenzkomponente aufmoduliert ist, deren Frequenz üblicherweise zwischen 10 und 100 kHz, vorzugsweise zwischen 20 und 50 kHz liegt. Hierbei besteht die Forderung, die Verformung des Netzwechselstromes gering zu halten, d.h. eine möglichst sinusförmige Stromentnahme aus dem Wechselspannungsnetz zu gewährleisten.

Aus der DE-PS 26 42 272 ist eine Schaltungsanordnung dieser Art bekannt mit einem als Durchflußwandler ausgebildeten Schaltnetzteil und einer Steuereinrichtung mit einem hysteresebehafteten Komparator, der den momentanen Lampenstrom mit einem vorgegebenen Sollwertsignal vergleicht und bei Erreichen vorgegebener Abweichungen von diesem Sollwert den Schalttransistor leitend bzw. nichtleitend schaltet. Hierdurch wird die Lampe mit einem pulsierenden Gleichstrom versorgt, dem eine Hochfreqüenzamplitude aufmoduliert ist.

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Ein Problem besteht in der Erzeugung einer geeigneten Sollwertspannung. Bei der bekannten Schaltungsanordnung besitzt diese einen Verlauf, der etwa die Form einer abgeflachten Sinushalbwelle hat und in Phase mit der Netzwechselspannung ist. Hierdurch soll eine möglichst sinusförmige Stromaufnahme aus der Netzwechselspannungsquelle erreicht werden, da die Steuereinrichtung durch Änderung der Transistorschaltfrequenz versucht, den Lampenstrom der Sollwertspannung folgen zu lassen. Bei der bekannten Schaltungsanordnung wird die Sollwertspannung dadurch erzeugt, daß die transformierte Netzwechselspannung gleichgerichtet wird. Die Benutzung eines Transformators ist dabei notwendig, um eine Sollwertspannung zu erhalten, die von der Netzwechselspannung galvanisch getrennt ist und somit problemlos auf das Potential der Steuereinrichtung gelegt werden kann.

Eine andere Möglichkeit, eine galvanisch getrennte Sollwertspannung zu erhalten, besteht darin, opto-elektronische Koppelelemente zu benutzen. Der Nachteil all dieser Möglichkeiten ist, daß zusätzliche Bauelemente, wie z.B. relativ große 50 Hz-Transformatoren oder Optokoppler, notwendig sind, die eine Verteuerung der Schaltungsanordnung verursachen und im Falle des Transformators relativ schwer und unhandlich sind.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von Gasentladungslampen zu schaffen, bei der zur Erzeugung der Sollwertspanung keine galvanischen Trennelemente, wie Transformatoren oder Optokoppler, notwendig sind und die dennoch eine möglichst sinusförmige Stromaufnahme besitzt.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung eingangs erwähnter Art dadurch gelöst, daß die Sollwertspannung aus dem Spannungsabfall über dem Schalttransistor erzeugt wird.

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überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß die so erzeugte Sollwertspannung geeignet ist, den Lampenstrom möglichst sinusförmig zu halten.

Bei einer besonders einfachen Ausfiihrungsform nach der Erfindung ist dem Schalttransistor ein Spannungsteiler parallel geschaltet, dessen einem Teilwiderstand ein Kondensator parallel liegt, und wird die dem Spannungsabfall über dem Schalttransistor proportionale Sollwertspannung vom Verbindungspunkt zwischen den beiden Teilwiderständen des Spannungsteilers abgenommen. Der einem Teilwiderstand parallel geschaltete Kondensator bewirkt, daß die durch das hochfrequente Schalten des Schalttransistors am Teilwiderstand entstehende impulsförmige Spannung gesiebt wird, wodurch eine Spannung am Spannungsteiler verfügbar ist, die der über einige Hochfrequenzperioden gemittelten Transistorspannung proportional ist. Diese gesiebte Form der Sollwertspannung dient zur Vermeidung von Schwingungen und Instabilitäten der Schal- tungsanordnung.

Um eine gute Glättung zu gewährleisten, sind gemäß einer Weiterbildung nach der Erfindung die Zeitkonstanten der Ladung und Entladung des Kondensators über die beiden Teilwiderstände des Spannungsteilers größer als die Schaltperiodendauer des Schalttransistors. Andererseits sollen sie kleiner sein als die Periodendauer der Netzwechselspannung, um die für eine sinusförmige Änderung des Eingangsstromes notwendige Änderung der Sollwertspannung während einer Netzwechselspannungsperiode zu ermöglichen.

Um die Stromaufnahme aus der Netzwechselspannungsquelle noch sinusförmiger zu machen, wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung nach der Erfindung der dem Spannungsabfall über dem Schalttransistor proportionalen Sollwert-

spannung eine Gleichspannung überlagert. Zweckmäßigerweise ist diese überlagerte Gleichspannung eine an einer Anzapfung der Drosselspule des Schaltnetzteiles abgenommene und gleichgerichtete Spannung. 5

Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Gasentladungslampe mit einem über eine Steuereinrichtung geregelten Durchflußwandler,

Fig.2 das Schaltschema der bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 verwendeten Steuereinrichtung.

In Fig. 1 sind mit A und B Eingangsklemmen zum Anschließen an ein Wechselspannungsnetz von z.B. 220 V, 50 Hz bezeichnet. An diese Eingangsklemmen A und B ist, gegebenenfalls über ein nicht dargestelltes Hochfrequenzfilter, ein Vollweggleichrichter 1 mit vier Dioden angeschlossen, dessem Ausgang ein Ladekondensator 2 parallel geschaltet ist. Parallel zu diesem Ladekondensator 2 ist an den Ausgang des Vollweggleichrichters 1 ein aus einem Schalttransistor 3 einer Drosselspule 4 einer Gasentladungslampe 5 und einer Freilaufdiode 6 bestehender Durchflußwandler angeschlossen. Der Ladekondensator 2 dient zur Erleichterung der Wiederzündung der Lampe 5. In den Lampenkreis ist ferner ein als Stromsensor dienender Meßwiderstand 7 eingefügt, an dem eine dem momentanen Lampenstrom-Istwert proportionale Istwertspannung abgegriffen wird, die auf den Eingang C einer Steuereinrichtung 8 gegeben wird. Der Lampenstrom wird durch die Steuereinrichtung 8 in der unten beschriebenen Weise einem am Eingang D der Steuereinrichtung 8 anzulegenden SoIlwertsignal nachgeführt.

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Hierbei soll der dem Wechselspannungsnetz entnommene Strom möglichst sinusförmig verlaufen. Gemäß der Erfindung wird die dem Eingang D der Steuereinrichtung 8 zugeführte Sollwertspannung aus dem Spannungsabfall über dem Schalttransistor 3 erzeugt. Durch das am Ausgang E der Steuereinrichtung 8 entstehende Signal wird dann der Schalttransistor 3 leitend bzw. nichtleitend geschaltet. Die Klemme F der Steuereinrichtung 8 ist mit dem Masseleiter der Schaltungsanordnung verbunden. Über die Klemme G wird die Steuereinrichtung 8 mit einer Versorgungsgleichspannung Vg= gespeist.

Zur Erzeugung der Sollwertspannung ist dem in Reihe mit dem Meßwiderstand 7 liegenden Schalttransistor 3 ein aus zwei Teilwiderständen 10 und 11 bestehender Spannungsteiler parallel geschaltet, dessem Teilwiderstand 10 ein Kondensator 12 parallel liegt. Die dem Spannungsabfall über dem Schalttransistor 3 proportionale Sollwertspannung wird vom Verbindungspunkt 13 zwischen den beiden Teilwiderständen 10 und 11 des Spannungsteilers abgenommen. Diese Sollwertspannung wird über eine Diode 14 und einen aus den Teilwiderständen 15 und 16 bestehenden weiteren Spannungsteiler auf den Sollwerteingang D der Steuereinrichtung 8 gegeben.

Der Wert des Kondensators 12 ist so gewählt, daß die Zeitkonstanten R1QC12 ^un(3 ^R11^C12 ^der ladung und Entladung des Kondensators 12 über die beiden Teilwiderstände 10 und 11 größer sind als die Schaltperiodendauer des Schalttransistors 3, jedoch kleiner als die Periodendauer der Netzwechselspannung. Auf diese Weise wird erreicht, daß Änderungen der Sollwertspannung aufgrund der hohen Transistorschaltfrequenz gesiebt werden, während gleichzeitig langsamere Änderungen wirksam werden können. Es hat sich herausgestellt, daß mit einer derart erzeugten Soll-

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wertspannung eine in etwa sinusförmige Stromaufnahme der Schaltungsanordnung aus der Netzwechselspannungsquelle erfolgt. Wird der Kondensator 12 zu groß gewählt, so können deutliche Abweichungen von der Sinusform auftreten, während bei einem zu kleinen Kondensator 12 Schwingungen beim Betrieb des Durchflußwandlers entstehen können.

Zur weiteren Optimierung der Stromaufnahme hinsichtlich der Sinusform kann der dem Spannungsabfall über dem Schalttransistor 3 proportionalen Sollwertspannung eine Gleichspannung überlagert werden. Diese Gleichspannung Ve= wird dem Verbindungspunkt 17 zwischen den beiden Spannungsteilerwiderständen 15 und 16 über eine Diode 18 und einen Widerstand 19 am Punkt H zugeführt.

Diese Gleichspannung kann positiv oder negativ sein und über Zeiten, die groß sind, verglichen mit einer Periodendauer und Netzwechselspannung, sich ändern. Die Höhe der Gleichspannung kann durch entsprechende Bemessung der Widerstände 15, 16 und 19 eingestellt werden. Die Dioden 14 und 18 dienen zur Entkoppelung der Gleichspannung von der Spannung des Spannungsteilers 10, 11.

Die der Sollwertspannung überlagernde Gleichspannung kann an einer Anzapfung 20 der Drosselspule 4 des Durchflußwandlers abgenommen werden. Die von dieser Anzapfung abgenommene hochfrequente Spannung wird mit einer Diode gleichgerichtet und lädt über einen Widerstand 22 einen Kondensator 23 auf, dessen Spannung mittels einer Zenerdiode 24 auf den Wert V_A= stabilisiert wird, die am Punkt I der Schaltungsanordnunganliegt und als Gleichspannungsquelle sowohl für die zur überlagerung der Sollwertspannung dienende Gleichspannung als auch zur Gleichspannungsversorgung der Steuereinrichtung 8 am Punkt G benutzt werden kann.

PHD

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Steuereinrichtung 8 nach Fig. 1 dargestellt. Diese besteht im wesentlichen aus einem hysteresebehafteten Komparator 25, an den sich ein Verstärker 26 anschließt. Der Komparator 25 vergleicht die an seinen Eingängen G und D anstehenden Sollwert- und Istwertspannungen miteinander. Liegt der Istwert oberhalb des Sollwertes plus Komparatorhysterese, so wird der Schalttransistor 3 mittels des Verstärkers 26 abgeschaltet. Hierdurch sinkt der Lampenstrom und damit auch die Istwertspannung. Erreicht der Istwert den Sollwert minus Komparatorhysterese, so schaltet der Komparator 25 über den Verstärker 26 den Schalttransistor 3 wieder ein, wodurch der Lampenstrom erneut ansteigt. Auf diese Weise verläuft der Lampenstrom stets in den Hysteresegrenzen um den Sollwert.

Der dem Schalttransistor parallel geschaltete Spannungsteiler kann aus mehr als zwei Widerständen bestehen. Außerdem braucht die Sollwertspannung nicht unbedingt an einer mit einem Kondensator verbundenen Anzapfung des Spannungsteilers abgegriffen zu werden. Der zweite Anschluß des Spannungsteilers braucht auch nicht mit dem Meßwiderstand verbunden zu sein, sondern kann auf andere Punkte der Schaltung gelegt werden.

Abschließend sei noch bemerkt, daß bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung das Schaltnetzteil nicht nur ein Durchflußwandler zu sein braucht, sondern auch als Sperrwandler, Brücken- oder Halbbrückschaltung oder Resonanzwandler ausgebildet sein kann.

Bei einem Ausführungsbeispiel zum Betrieb einer 30 W-Hochdruck-Natriumdampfentladungslampe mit einer Lampenbrennspannung von ca. 50 V wiesen die wichtigsten Bauelemente der Schaltung folgende Werte auf:

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Kondensator 2

Kondensator 12 1OnF Widerstand 7 1 Ohm

Widerstand 10 10 k Ohm

Widerstand 11 100 k Ohm

Widerstand 15 1,8 k Ohm Widerstand 16 1k Ohm

Widerstand 19 3,3k Ohm Drosselspule 4 1 mH

Gleichspannung am Punkt I 5 V.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

\ij Schaltungsanordnung zum Betrieb von Gasentladungslampen mit höherfrequentem Strom aus einem an eine Netzwechselspannungsquelle angeschlossenen Schaltnetzteil mit einem Schalttransistor, dessen Tastverhältnis und/oder Schaltfrequenz von einer Steuereinrichtung bestimmt wird, welche den mit einem Stromsensor abgetasteten Lampenstrom-Istwert mit einer der Steuereinrichtung zugeführten Sollwertspannung vergleicht und das Tastverhältnis und/oder die Schaltfrequenz des Schalttransistors in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Istwertspannung und Sollwertspannung steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwertspannung aus dem Spannungsabfall über dem Schalttransistor (3) erzeugt wird.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schalttransistor (3) ein Spannungsteiler (10, 11) parallel geschaltet ist, dessen einem Teilwiderstand (10) ein Kondensator (12) parallel liegt, und daß die dem Spannungsabfall über dem Schalttransistor proportionale Sollwertspannung vom Verbindungspunkt (13) zwischen den beiden Teilwiderständen (10, 11) des Spannungsteilers abgenommen wird.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstanten der Ladung und Entladung des Kondensators (12) über die beiden Teilwiderstände (10, 11) des Spannungsteilers größer sind als die Schaltperiodendauer des Schalttransistors (3), aber kleiner als die Periodendauer der Netzwechselspannung. 30

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4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Spannungsabfall über dem Schalttransistor (3) proportionalen Sollwertspannung eine Gleichspannung überlagert wird.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung eine an einer Anzapfung (20) der Drosselspule (4) des Schaltnetzteiles abgenommene und gleichgerichtete Spannung ist.