DE3533548A1 - Leuchtstofflampen-vorschaltgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Leuchtstofflampen-Vorschaltgerät mit einer Stromversorgungsschaltung, die über eine Schaltergruppe mit wechselnden Polaritäten an die Elektroden der Leuchtstofflampe anschaltbar ist, einem Steuerwerk zum Steuern der Schaltergruppe, einer Induktivität zur Erzeugung der Zündspannung für die Leuchtstofflampe und einem Stromfühler.

Bei einem bekannten Vorschaltgerät dieser Art (DEOS 29 42 468) sind vier elektronische Schalter, die von einem logischen Steuerwerk gesteuert werden, zu einer Schaltergruppe nach Art einer Brückenschaltung, in deren Querzweig die Leuchtstofflampe liegt, zusammengefaßt. In der Vorheizphase sind alle Schalter leitend, so daß Gleichstrom durch die Elektroden der Leuchtstofflampe fließt. Zum Zünden der Gasentladung werden zwei diagonal einander gegenüberliegende Schalter gesperrt, so daß nunmehr ein Strom, der durch die Entladung der Induktivität unterstützt wird, durch die Leuchtstofflampe fließen kann. Die Schalter werden anschließend mit einer hochfrequenten Wechselspannung getaktet, wodurch die Leuchtstofflampe periodisch umgepolt wird. In einem der Schaltungszweige der Schaltergruppe ist ein Stromfühler vorgesehen, der jedoch nur dazu dient, das Zünden der Leuchtstofflampe festzustellen und nach einer bestimmten Zahl vergeblicher Zündversuche das Steuerwerk abzuschalten. Bei den bekannten Vorschaltgeräten erfolgt die Versorgung der Leuchtstofflampe mit einer hochfrequenten Spannung, wobei der Lampenstrom von verschiedenen Parametern abhängt, beispielsweise vom Lampenwiderstand. Dies hat zur Folge, daß Lampen unterschiedlicher Leistung jeweils ein anderes Vorschaltgerät erfordern und daß die Lampenleistung sich im Laufe der Lebensdauer der Lampe infolge des ansteigenden Widerstandes verändern kann.

Gegenstand einer (nicht veröffentlichten) älteren Patentanmeldung ist ein Leuchtstofflampen-Vorschaltgerät, bei dem der Stromfühler und die Induktivität mit der Schaltergruppe in Reihe geschaltet sind und der Stromfühler ein ebenfalls in der Reihenschaltung liegendes Schaltglied in der Weise steuert, daß dieses Schaltglied den Stromkreis öffnet, wenn der Strom einen bestimmten ersten Schwellenwert übersteigt, und den Stromkreis schließt, wenn der Strom einen bestimmten zweiten Schwellenwert, der niedriger ist als der erste Schwellenwert, unterschreitet. Die Induktivität und die Schaltergruppe bilden mit einem elektronischen Ventil (Diode) einen geschlossenen Stromkreis zum Entladen der Induktivität bei gesperrtem Schaltglied. Ein derartiges Vorschaltgerät hat den Vorteil, daß der Strom durch das Zusammenwirken von Stromfühler und Schaltglied konstantgehalten werden kann, so daß der Lampe ständig ein definierter Strom zugeführt wird, der unabhängig ist von der Höhe der extern angelegten Spannung und auch unabhängig vom Lampenwiderstand. Die Größe dieses Lampenstromes kann durch einen Referenzwert, der einem Komparator zugeführt wird, leicht verändert werden. Bei idealem Schaltverhalten der Komponenten erfolgt die Konstanthaltung des Lampenstromes verlustlos, weil das Schaltglied sich in jeder Phase entweder im Einschaltzustand oder im Ausschaltzustand befindet. In der Praxis treten aber sowohl Einschaltverluste als auch Ausschaltverluste auf, weil sich in den kurzen Übergangsphasen Strom und Spannung am Schaltglied überlagern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Vorschaltgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das für Lampen mit unterschiedlichen Lampenleistungen und unterschiedlichen Lampenspannungen gleichermaßen einsetzbar ist und bei dem die Einschaltverluste bzw. Ausschaltverluste des Schaltgliedes weitgehend eliminiert sind.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt im Hinblick auf die Eliminierung der Ausschaltverluste erfindungsgemäß dadurch, daß der Stromfühler und die Induktivität mit der Schaltergruppe in Reihe geschaltet sind, daß der Stromfühler ein ebenfalls in der Reihenschaltung liegendes Schaltglied steuert, daß die Induktivität und die Schaltergruppe mit einem elektrischen Ventil einen geschlossenen Stromkreis zum Entladen der Induktivität bei gesperrtem Schaltglied bilden und daß dem elektrischen Ventil eine Kapazität parallelgeschaltet ist, die nach dem Sperren des Schaltgliedes zunächst den Strom durch die Induktivität liefert, bis das elektrische Ventil seinen leitenden Zustand erreicht hat.

Bei dieser Variante der Erfindung wirkt die Kapazität als Energiespeicher, der dem elektrischen Ventil parallelgeschaltet ist. Wenn das Schaltglied sperrt und das elektrische Ventil eine gewisse Zeit braucht, um den leitenden Zustand anzunehmen, übernimmt in dieser Zwischenphase die Kapazität die Stromlieferung zur Aufrechterhaltung des Stromes durch die Induktivität, so daß dieser Strom nicht durch das bereits gesperrte Schaltglied gezogen wird. Dadurch wird verhindert, daß an dem Schaltglied eine hohe Spannung und ein Strom gleichzeitig auftreten.

Im Hinblick auf eine Reduzierung der Einschaltverluste wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Stromfühler und die Induktivität mit der Schaltergruppe in Reihe geschaltet sind, daß der Stromfühler ein ebenfalls in der Reihenschaltung liegendes Schaltglied steuert, daß die Induktivität und die Schaltergruppe mit einem elektrischen Ventil einen geschlossenen Stromkreis zum Entladen der Induktivität bei gesperrtem Schaltglied bilden und daß zwischen Stromversorgungsschaltung und Schaltglied ein den Einschaltstrom des Schaltgliedes verzögernder Energiespeicher geschaltet ist.

Bei dieser zweiten Variante wird beim Einschalten des Schaltgliedes der Strom durch das Schaltglied von dem Energiespeicher verzögert, so daß er seinen vollen Wert erst einnimmt, wenn die Spannung am Schaltglied abgeklungen ist. Der Energiespeicher hat außerdem die Wirkung, daß unkontrollierte Schwingungen, die sich auf den Spulenstrom auswirken, gedämpft werden. Solche Schwingungen stellen nicht nur hochfrequente Störungen dar, sondern sie können auch zu Fehlschaltungen des das Schaltglied steuernden Komparators führen. Die Schwingungen werden normalerweise durch das schnelle Schalten des Schaltgliedes hervorgerufen, wobei Strom und Spannung am Schaltglied sich überlagern. Durch die Verzögerung des Stromes beim Einschalten und die Stromentlastung des Schaltgliedes beim Ausschalten werden derartige Schwingungen vermieden und andererseits werden auch die Einschalt- bzw. Ausschaltverluste eliminiert. Die beiden genannten Varianten der Erfindung kommen vorzugsweise gemeinsam zur Anwendung, jedoch ist es auch möglich, jeweils nur eine dieser Varianten anzuwenden, wenn entweder nur die Einschaltverluste oder nur die Ausschaltverluste des Schaltgliedes eliminiert werden sollen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild des Vorschaltgerätes,

Fig. 2 verschiedene Verläufe von Strom und Spannung in idealisierter Form,

Fig. 3 die Verläufe von Strom und Spannung ohne Korrekturmaßnahmen,

Fig. 4 die Verläufe von Strömen und Spannungen bei Eliminierung der Ausschaltverluste, und

Fig. 5 die entsprechenden Strom- und Spannungsverläufe bei Eliminierung der Ausschaltverluste und der Einschaltverluste.

Gemäß Fig. 1 liefert die Stromversorgungsschaltung SV eine Versorgungsgleichspannung. Der Pluspol der Versorgungsspannung ist mit dem Anschluß a des Schaltgliedes T _S verbunden, bei dem es sich um einen Schalttransistor oder ein anderes elektronisches Schaltelement handelt. Aus Gründen des einfacheren Verständnisses sind das Schaltglied T _S und die nachfolgend noch zu beschreibenden elektronischen Schalter in der Zeichnung als mechanische Schalter dargestellt. Das Schaltglied T _S ist mit der Induktivität L in Reihe geschaltet. An dieser Reihenschaltung ist die Schaltergruppe 10 angeschlossen, die aus einer Parallelschaltung der beiden Schaltungszweige 11 und 12 besteht. Das andere Ende der Schaltergruppe ist über den Stromfühler I mit dem Minuspol der Stromversorgungsschaltung SV verbunden, der an Masse gelegt ist.

Der Schaltungszweig 11 enthält die elektronischen Schalter T ₁ und T ₃, zwischen die die eine Elektrode der Leuchtstofflampe LL geschaltet ist. Der andere Schaltungszweig 12 enthält die Reihenschaltung der elektronischen Schalter T ₂ und T ₄, zwischen die die zweite Elektrode der Leuchtstofflampe LL geschaltet ist. Die Schalter T ₁ bis T ₄ werden von dem logischen Steuerwerk 13 gesteuert, bei dem es sich beispielsweise um einen Mikroprozessor handeln kann.

Es sei angenommen, daß die Schalter T ₁ bis T ₄ im leitenden Zustand sind oder daß auf andere Weise über die von den Schaltungszweigen 11, 12 und der Lampe LL gebildete Brückenschaltung ein Strom fließen kann. Wenn dann das Schaltglied T _S leitend wird, fließt ein Strom durch den Stromfühler I, die Induktivität L und die Schaltergruppe 10. Dieser Strom i _L , dessen zeitlicher Verlauf in Fig. 2 idealisiert dargestellt ist, baut sich infolge der Induktivität L langsam auf, wobei der Anstieg als linear angenommen werden kann. Der Ausgang des Stromfühlers I ist mit dem B-Eingang eines Komparators 14 mit Hysterese verbunden, dessen Ausgang das Schaltglied T _S steuert. Der A-Eingang des Komparators 14 empfängt von dem Steuerwerk 13 eine Referenzspannung U _ref . Der Komparator 14 erzeugt aus der Referenzspannung zwei Schwellenwerte, von denen der eine einem maximalen Lampenstrom und der andere einem minimalem Lampenstrom entspricht. Wenn der Lampenstrom den maximalen Schwellenwert erreicht, sperrt der Komparator 14 das Schaltglied T _S , d. h. der Reihenstromkreis wird unterbrochen. Die Induktivität L versucht nun, den Strom, der zuvor geflossen ist, aufrechtzuerhalten, so daß der Spulenstrom i _L langsam abfällt. Wenn dieser Strom den unteren Grenzwert erreicht, schaltet der Komparator 14 das Schaltglied T _S wieder in den leitenden Zustand, wodurch der Lampenstrom i _L im Reihenstromkreis wieder ansteigt. Man erkennt, daß der Strom sich innerhalb der Grenzwerte, die relativ nahe beieinander liegen, zeitlich verändert und nahezu konstant bleibt. Die Höhe des Bandes zwischen den beiden Grenzwerten kann durch die vom Steuerwerk 13 dem Komparator 14 zugeführte Referenzspannung U _ref verändert werden.

Der zeitliche Verlauf des Stromes i _E , der der Stromversorgungsschaltung SV entnommen wird, ist ebenfalls in Fig. 2 idealisiert dargestellt. Dieser Strom i _E ist impulsförmig, wobei die Amplitude der einzelnen Impulse von einem unteren Wert auf einen oberen Wert zeitlich etwa linear ansteigt. In den Impulspausen ist dieser Strom NULL.

Wenn das Schaltglied T _S gesperrt wird, versucht die Induktivität L, den Lampenstrom i _L , der zuvor geflossen ist, aufrechtzuerhalten. Zu diesem Zweck ist zwischen dem Minuspol der Versorgungsspannung und dem Anschluß b des Schaltgliedes T _S das elektrische Ventil in Form der Diode D ₁ geschaltet, deren Anode mit dem Minuspol und deren Kathode mit dem Anschluß b verbunden ist. In den Impulspausen, die den Sperrphasen des Schaltgliedes T _S entsprechen, fließt der durch die Induktivität L verursachte Strom in den geschlossenen Stromkreis, der die Induktivität L, die Schaltergruppe 10, den Stromfühler I und die Diode D ₁ enthält. Der Strom i _D durch die Diode D ₁ ist in Fig. 2 in idealisierter Form dargestellt. Dieser Strom fließt jeweils in den Impulspausen des Schaltgliedes T _S , und er verringert sich von einem Maximalwert am Anfang der Impulspause auf einen Minimalwert am Ende der Impulspause. Wenn das Schaltglied T _S leitend ist, ist dieser Strom i _D NULL.

In der unteren Zeile von Fig. 2 sind die zeitlichen Verläufe des Stromes i _E und der Spannung U _ab zwischen den Anschlüssen a und b des Schaltgliedes T _S gemeinsam dargestellt. Wenn der Strom i _E fließt, ist die Spannung U _ab NULL und wenn die Spannung U _ab größer ist als NULL, ist der Strom i _E NULL. Aufgrund dieser Verhältnisse sind die Spannungsverluste am Schaltglied T _S , die U _ab · i _E betragen, jederzeit NULL. Diese Verhältnisse entsprechen dem idealen Spannungs- und Stromverlauf.

Vor dem Starten der Lampe LL werden die Elektroden zunächst aufgeheizt. Hierzu werden alle vier Schalter T ₁ bis T ₄ in den leitenden Zustand gesteuert. Nach einer definierten Vorheizzeit werden zwei einander diagonal gegenüberliegende Schalter, beispielsweise die Schalter T ₁ und T ₄ gesperrt. Gleichzeitig kann durch entsprechende Steuerung des Komparators 14 der Strom i _L verändert werden. Der Strom fließt nunmehr über die leitenden Schalter T ₂ und T ₃ und die dazwischenliegende Leuchtstofflampe 14. Die Induktivität L erzeugt infolge der Stromänderung den für das Zünden der Lampe LL erforderlichen Spannungsanstieg. Die Lampe wird nun über längere Zeit über die Schalter T ₂ und T ₃ betrieben. Danach bewirkt das Steuerwerk 13, daß die Schalter T ₂ und T ₃ gesperrt werden und die Schalter T ₁ und T ₄ leitend werden. Der Strom fließt dann in entgegengesetzter Richtung durch die Lampe LL. Durch die Umpolung des Lampenstromes wird Kataphorese an der Lampe LL vermieden.

Bisher wurden anhand von Fig. 2 die idealisierten zeitlichen Verläufe der verschiedenen Spannungen und Ströme beschrieben. Die sich tatsächlich ergebenden Strom- und Spannungsverläufe sind in Fig. 3 dargestellt. Der Lampenstrom i _L , der Eingangsstrom i _E und der Diodenstrom i _D sind von Schwingungen überlagert. Diese Schwingungen entstehen in erster Linie dadurch, daß die Diode D ₁ beim Sperren des Schalters T _S nicht schnell genug leitend wird und beim Öffnen dieses Schalters nicht schnell genug sperrt. Die Induktivität L erzwingt über parasitäre Speicher einen unkontrollierten Stromfluß. Durch die Schwingungen des Spulenstromes i _L wird der dem B-Eingang des Komparators 14 zugeführte Wert verfälscht, mit der Folge, daß Fehlschaltungen des Schaltgliedes T _S auftreten können. Außerdem werden der Anstieg und der Abfall des Stromes i _E durch das Schaltglied verzögert. In den oberen drei Zeilen von Fig. 3 sind die idealen Verläufe der Spannungen und Ströme gestrichelt eingezeichnet, während die tatsächlichen Verläufe in durchgezogenen Linien dargestellt sind. In der unteren Zeile sind die zeitlichen Verläufe der Spannung U _ab und des Stromes i _E gemeinsam dargestellt. Die schraffierten Bereiche, in denen Strom und Spannung am Schaltglied T _S gemeinsam vorhanden sind, repräsentieren die Einschaltverluste 15 bzw. die Ausschaltverluste 16. Bei einer Spannung U _ab von 400 V und einem Strom i _E von 0,5 A betragen die Einschaltverluste etwa

Die Ausschaltverluste betragen bei diesem Beispiel etwa 40 W.

Zur Eliminierung der Ausschaltverluste 16 ist der Diode D ₁ eine Kapazität C _D parallelgeschaltet. Diese Kapazität C _D lädt sich auf, während das Schaltglied T _S leitend ist. Wird das Schaltglied gesperrt, dann liefert die Kapazität C _D zunächst den Spulenstrom i _L , während die Diode D ₁, die nicht hinreichend schnell leitend werden kann, sich noch im Sperrzustand befindet. Da die Induktivität L nach dem Sperren des Schaltgliedes den Strom, der über die Diode D ₁ noch nicht geliefert werden kann, nicht über das Schaltglied T _S zieht, sondern der Kapazität C _D entnimmt, wird der Strom i _E entlastet, d. h. er geht beim Sperren des Schaltgliedes T _S sofort auf NULL. Aus Fig. 4 ersieht man, daß hierdurch die Ausschaltverluste 16 stark reduziert werden. In Fig. 4 ist außerdem der Strom i _CD durch die Kapazität C _D dargestellt. Wenn das Schaltglied T _S leitend wird, fließt kurzzeitig ein hoher Ladestrom, der anschließend abklingt, in die Kapazität. Wird das Schaltglied gesperrt, dann entlädt sich die Kapazität C _D über die Induktivität L mit nahezu konstantem Strom, der schlagartig abfällt, wenn die Diode D ₁ leitend geworden ist.

Zur Eliminierung der Einschaltverluste und zur Unterdrückung der Schwingungen während der Einschaltphase des Schaltgliedes T _S , ist zwischen die Stromversorgungsschaltung SV und das Schaltglied T _S ein Energiespeicher geschaltet. Dieser Energiespeicher besteht aus der Induktivität eines Transformators TR, dessen Primärwicklung den Anschluß a des Schaltgliedes mit dem Pluspol verbindet. Der Energiespeicher bewirkt eine Verzögerung des Aufbaus des Stromes i _E beim Einschalten des Schaltgliedes T _S . Andererseits würde die Induktivität des Energiespeichers ohne zusätzliche Maßnahmen die Ausschaltverluste erhöhen, weil der Energiespeicher beim Ausschalten des Schaltgliedes bestrebt wäre, weiterhin Strom über das Schaltglied zu ziehen. Um dies zu verhindern, ist die Sekundärwicklung des Transformators TR mit einem Ende an Minuspotential gelegt und das andere Ende ist über eine Diode D ₂ mit einem Kondensator C ₁ verbunden, dessen andere Elektrode ebenfalls an Minuspotential liegt. Durch die am Transformator TR eingezeichneten Punkte wird verdeutlicht, daß Primärwicklung und Sekundärwicklung gleichsinnig zueinander gewickelt sind und daß beim Einschalten des Schaltgliedes das mit dem Minuspol verbundene Ende der Sekundärwicklung die gleiche (positive) Polarität hat wie das mit dem Pluspol verbundene Ende der Primärwicklung. Die Diode D ₂ wird beim Einschalten des Schaltgliedes in Sperrichtung betrieben, so daß im Sekundärkreis des Transformators TR kein Strom fließen kann. Die Primärinduktivität dieses Transformators lädt sich bei eingeschaltetem Schaltglied auf. Beim Ausschalten des Schaltgliedes entlädt sich diese Energie nicht über das Schaltglied, sondern über die dann leitende Diode D ₂ auf den Kondensator C ₂. Dieser Kondensator ist über eine Diode D ₃ mit dem Anschluß b des Schaltgliedes T _S verbunden. Sobald in der Ausschaltphase des Schaltgliedes die Spannung am Kondensator C ₂ größer wird als diejenige am Anschluß b, entlädt sich der Kondensator C ₂ über die Diode D ₃ in den Stromkreis der Induktivität L, d. h. in den Lampenkreis. Auf diese Weise wird die Energie, die zu Beginn der Einschaltphase in den Transformator TR eingespeichert worden ist, um den Aufbau des Stroms i _E zu verzögern, in der Ausschaltphase in den Lampenstromkreis eingespeist. Dadurch werden Energieverluste vermieden. Die Kapazität von C ₂ ist wesentlich größer als C _D .

Fig. 5 zeigt die Verläufe der Ströme i _L und i _E sowie der Spannung U _ab . Man erkennt, daß i _E sich in der Einschaltphase verzögert aufbaut und beim Ausschalten des Schaltgliedes unverzüglich auf Null abfällt. Dadurch werden die Schaltverluste eliminiert und außerdem werden die Schwingungen unterdrückt. Die in Fig. 5 dargestellten Verläufe, die durch die beschriebenen zusätzlichen Maßnahmen erreicht werden, entsprechen mit nur geringfügigen Abweichungen den Idealverläufen der Fig. 2.

Claims (4)

1. Leuchtstofflampen-Vorschaltgerät mit einer Stromversorgungsschaltung, die über eine Schaltergruppe (10) mit wechselnden Polaritäten an die Elektroden der Leuchtstofflampe (LL) anschaltbar ist, einem Steuerwerk (13) zum Steuern der Schaltergruppe, einer Induktivität (L) zur Erzeugung der Zündspannung für die Leuchtstofflampe und einem Stromfühler (I), dadurch gekennzeichnet, daß der Stromfühler (I) und die Induktivität (L) mit der Schaltergruppe (10) in Reihe geschaltet sind, daß der Stromfühler (I) ein ebenfalls in der Reihenschaltung liegendes Schaltglied (T _S ) steuert, daß die Induktivität (L) und die Schaltergruppe (10) mit einem elektrischen Ventil (D ₁) einen geschlossenen Stromkreis zum Entladen der Induktivität (L) bei gesperrtem Schaltglied (T _S ) bilden, und daß dem elektrischen Ventil (D ₁) eine Kapazität (C _D ) parallelgeschaltet ist, die nach dem Sperren des Schaltgliedes (T _S ) zunächst den Strom (i _L ) durch die Induktivität (L) liefert, bis das elektrische Ventil (D ₁) seinen leitenden Zustand erreicht hat.

2. Leuchtstofflampen-Vorschaltgerät mit einer Stromversorgungsschaltung, die über eine Schaltergruppe (10) mit wechselnden Polaritäten an die Elektroden der Leuchtstofflampe (LL) anschaltbar ist, einem Steuerwerk (13) zum Steuern der Schaltergruppe, einer Induktivität (L) zur Erzeugung der Zündspannung für die Leuchtstofflampe und einem Stromfühler (I), dadurch gekennzeichnet, daß der Stromfühler (I) und die Induktivität (L) mit der Schaltergruppe (10) in Reihe geschaltet sind, daß der Stromfühler (I) ein ebenfalls in der Reihenschaltung liegendes Schaltbild (T _S ) steuert, daß die Induktivität (L) und die Schaltergruppe (10) mit einem elektrischen Ventil (D ₁) einen geschlossenen Stromkreis zum Entladen der Induktivität (L) bei gesperrtem Schaltglied (T _S) bilden, und daß zwischen Stromversorgungsschaltung (SV) und Schaltglied (T _S ) ein den Einschaltstrom des Schaltgliedes verzögernder Energiespeicher geschaltet ist.

3. Leuchtstofflampen-Vorschaltgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher ein Transformator (TR) ist, dessen Sekundärwicklung über eine bei gesperrtem Schaltglied (T _S ) durchlässige Diode (D ₂) einen Kondensator (C ₂) auflädt.

4. Leuchtstofflampen-Vorschaltgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C ₂) über eine weitere Diode (D ₃) mit der Induktivität (L) verbunden ist, derart, daß er sich bei gesperrtem Schaltglied (T _S ) zur Induktivität hin entladen kann.