DE3537517A1

DE3537517A1 - Circuit arrangement for operating gas-discharge lamps

Info

Publication number: DE3537517A1
Application number: DE19853537517
Authority: DE
Inventors: Hubert Raets
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1985-10-22
Filing date: 1985-10-22
Publication date: 1987-04-23

Abstract

In the case of a circuit arrangement for operating gas-discharge lamps, consisting of a full-wave rectifier (2) which is connected to an AC voltage mains power supply and whose DC voltage is chopped by an electronic switch (4) at a relatively high switching frequency and is supplied to the lamp, a current limiting capacitor (1) is inserted between the AC voltage mains power supply and the full-wave rectifier, and the output of the full-wave rectifier is bridged by a series circuit comprising the electronic switch (4) and the capacitor (5), in parallel with which capacitor (5) the lamp (6) is connected. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von Gasentladungslampen, bestehend aus einem an ein Wechselspannungsnetz angeschlossenen Vollweggleich richter, dessen Gleichspannung durch einen elektronischen Schalter mit einer höherfrequenten Schaltfrequenz zerhackt und der Lampe zugeführt wird. Hierbei müssen die Lampen so beschaffen sein, daß ihre Gasfüllung während der Auszeiten des Schalters nicht völlig entionisieren. Dies ist z.B. bei Niederdruckquecksilberdampfentladungslampen, aber auch bei vielen Hochdruckgasentladungslampen der Fall.The invention relates to a circuit arrangement for operating gas discharge lamps, consisting of a full-wave equation connected to an AC voltage network judge whose DC voltage is controlled by an electronic Chopped switch with a higher frequency switching frequency and is supplied to the lamp. The lamps have to be like this be able to fill their gas during the time off do not completely deionize the switch. This is e.g. for low-pressure mercury vapor discharge lamps, but also the case with many high-pressure gas discharge lamps.

Eine Schaltungsanordnung dieser Art ist z.B. aus der DE-OS 29 00 910 bekannt. Hierbei wird die Lampe mit 1 MHz- Schaltimpulsen betrieben, welche als Unipolarimpulse ausgebildet sind. Zur Begrenzung der Stromentnahme aus dem Wechselspannungsnetz benötigt eine solche Schaltungs anordnung aber doch noch ein Strombegrenzungselement. Dies kann z.B. ein Widerstand sein, der jedoch Leistungs verluste verursacht. Eine ebenfalls verwendbare Drossel spule muß aber derart groß und schwer sein, daß sich eine damit ausgestattete Schaltungsanordnung nicht in die Lampe integrieren läßt. Wünschenswert ist somit eine Schaltungs anordnung, die möglichst rein kapazitiv aufgebaut ist, da Kondensatoren mit sehr kleinem Volumen herstellbar und in integrierte Schaltungen aufnehmbar sind.A circuit arrangement of this type is known for example from DE-OS 29 00 910. Here, the lamp is operated with 1 MHz switching pulses, which are designed as unipolar pulses. To limit the current draw from the AC network, such a circuit arrangement still requires a current limiting element. This can be a resistor, for example, but it causes power losses. A choke coil that can also be used must be so large and heavy that a circuit arrangement equipped with it cannot be integrated into the lamp. It is therefore desirable to have a circuit arrangement that is constructed as capacitively as possible, since capacitors can be produced with a very small volume and can be accommodated in integrated circuits.

Eine kapazitive Schaltungsanordnung zum Betrieb von Gasentladungslampen ist aus der US-PS 36 57 598 bekannt. Hierbei liegt die Lampe in Reihe mit einem Kondensator und einem elektronischen Schalter an einer Gleichspannungs quelle. Lampe und Kondensator sind ferner von einem zweiten elektronischen Schalter überbrückt. Die beiden Schalter werden abwechselnd ein- und ausgeschaltet, so daß die Lampe mit einem höherfrequenten Wechselstrom betrieben wird. Ein derartiger HF-Wechselstrombetrieb führt aber zu einer erheblichen Störspannung. Dies gilt auch für einen unipolaren HF-Impulsbetrieb von Lampen.A capacitive circuit arrangement for the operation of Gas discharge lamps is known from US-PS 36 57 598. Here, the lamp is in series with a capacitor and an electronic switch on a DC voltage source. Lamp and capacitor are also one bridged second electronic switch. The two Switches are switched on and off alternately, so that the lamp is operated with a higher-frequency alternating current becomes. However, such HF AC operation leads to a significant interference voltage. This also applies to one unipolar RF pulse operation of lamps.

Mit Gleichstrom oder HF-Wechselstrom betriebene Gasent ladungslampen weisen gegenüber einem 50 Hz-Betrieb einen höheren Wirkungsgrad auf. Bei reinem Gleichstrombetrieb tritt in der Lampe Kataphorese auf, bei reinem HF-Betrieb die schon erwähnte Störspannung. Günstiger ist somit ein gemischter Betrieb der Lampe.Gas ent operated with direct current or HF alternating current Charge lamps have one compared to 50 Hz operation higher efficiency. With pure DC operation occurs in the lamp cataphoresis, with pure HF operation the interference voltage already mentioned. A cheaper is therefore mixed operation of the lamp.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kapazitive Schaltungsanordnung zum Betrieb von Gasent ladungslampen mit von einem höherfrequenten Wechselstrom überlagerten Gleichstrom zu schaffen. Unter höher frequentem Wechselstrom ist hierbei ein Strom mit einer Frequenz von zwischen etwa 1 und 200 kHz zu verstehen.The invention is therefore based on the object capacitive circuit arrangement for the operation of gas ent charge lamps with a higher frequency alternating current to create superimposed direct current. Under higher frequent alternating current is a current with a Understand frequency of between about 1 and 200 kHz.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung eingangs erwähnter Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen das Wechselspannungsnetz und den Vollweggleich richter ein Strombegrenzungskondensator eingefügt und der Ausgang des Vollweggleichrichters durch eine Serienschal tung mit dem elektronischen Schalter und einem Kondensator überbrückt ist, dem die Lampe parallel geschaltet ist.This task begins with a circuit arrangement mentioned type according to the invention solved in that between the AC network and the full-wave equation richter inserted a current limiting capacitor and the Output of the full-wave rectifier through a series scarf device with the electronic switch and a capacitor is bridged, to which the lamp is connected in parallel.

Zur Begrenzung des aus dem Wechselspannungsnetz ent nommenen Stromes dient hierbei ein Strombegrenzungskonden sator. Dafür, daß die Lampe aus diesem Strombegrenzungs kondensator nicht einen für sie unzulässig hohen Strom zieht, ist die Serienschaltung eines elektronischen Schalters und eines Kondensators vorgesehen. Die Komponen ten dieser Schaltungsanordnung lassen sich in die Lampe integrieren.To limit the ent from the AC network a current limiting condenser is used here sator. For making the lamp out of this current limiting capacitor does not have an impermissibly high current pulls is the series connection of an electronic Switch and a capacitor provided. The composers ten of this circuit arrangement can be in the lamp integrate.

Bei eingeschaltetem elektronischen Schalter werden der Strombegrenzungskondensator und der parallel zur Lampe liegende Kondensator auf den Spitzenwert der gleichge richteten Netzspannung geladen. Dann liegt diese Spitzen gleichspannung auch an der Lampe an, so daß sie einen steigenden Strom zieht. Dieser Strom würde schließlich so groß werden, daß die Lampe zerstört würde. Nach einer von der Schaltfrequenz und dem Tastverhältnis der Steuerein richtung des elektronischen Schalters abhängigen Zeit, sperrt dieser Schalter. Von da ab steht zur Versorgung der Lampe nur noch die im Kondensator gespeicherte Energie zur Verfügung. Mit der Entladung dieses Kondensators sinkt der Lampenstrom.When the electronic switch is switched on, the Current limiting capacitor and that parallel to the lamp lying capacitor to the peak value of the same charged mains voltage. Then this peaks DC voltage on the lamp, so that it is one rising current draws. This would eventually become the current grow big that the lamp would be destroyed. After one of the switching frequency and the duty cycle of the control unit direction of the electronic switch dependent time, blocks this switch. From then on, the supply of Lamp only the energy stored in the capacitor Available. With the discharge of this capacitor, the sinks Lamp current.

Für den Fall, daß die Lampe bei der Spitzengleichspannung nicht ohne weiteres zündet, kann ihr eine Zündschaltung parallel geschaltet werden.In the event that the lamp is at the peak DC voltage can not ignite easily, you can an ignition circuit can be connected in parallel.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:Some embodiments of the invention will now described in more detail with reference to the drawing. Show it:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Gasent ladungslampe, welche ohne weitere Hilfsmittel zündet, Fig. 1 shows a circuit arrangement for operating a discharge lamp gas- which ignites without further aids,

Fig. 2 den Spannungsverlauf am elektronischen Schalter der Anordnung nach Fig. 1 und darunter den dadurch erzeugten Stromverlauf in der Lampe, Fig. 2 shows the voltage profile at the electronic switch of the arrangement of Fig. 1 and including the thus generated current flow in the lamp,

Fig. 3 eine andere Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Gasentladungslampe, der eine Zündschaltung parallel geschaltet ist. Fig. 3 shows another circuit arrangement for operating a gas discharge lamp, the ignition circuit is connected in parallel.

In Fig. 1 sind mit A und B Eingangsklemmen zum Anschließen an ein Wechselspannungsnetz von z.B. 220 V, 50 Hz be zeichnet. An diese Eingangsklemmen A und B ist über einen Strombegrenzungskondensator 1, ein Vollweggleichrichter 2 mit vier Dioden angeschlossen, dessem Ausgang ein Lade kondensator 3 parallel geschaltet ist. Parallel zu diesem Ladekondensator 3 ist an den Ausgang des Vollweggleich richters 2 eine aus einem elektronischen Schalter 4 und einem Kondensator 5 bestehende Serienschaltung ange schlossen. Dem Kondensator 5 ist eine Gasentladungslampe 6 parallel geschaltet.In Fig. 1, A and B input terminals for connecting to an AC network of, for example, 220 V, 50 Hz are characterized. To these input terminals A and B is connected via a current limiting capacitor 1 , a full-wave rectifier 2 with four diodes, the output of which is connected to a charging capacitor 3 in parallel. In parallel with this charging capacitor 3 , an existing of an electronic switch 4 and a capacitor 5 series circuit is connected to the output of the full-wave rectifier 2 . A gas discharge lamp 6 is connected in parallel to the capacitor 5 .

Der elektronische Schalter 4 wird von einer nicht darge stellten Einrichtung gesteuert, welche das Tastverhältnis und die Schaltfrequenz des Schalters 4 bestimmt. Die Schaltfrequenz liegt im Kilohertzbereich, z.B. zwischen 1 und 200 kHz, und wird im weiteren HF genannt. Bei unge zündeter Lampe 6 werden über den Strombegrenzungskondensa tor 1 der Ladekondensator 3 und der Kondensator 5 auf die Spitzenspannung der gleichgerichteten Netzspannung geladen, d.h. auf etwa 310 V=. Der Kondensator 5 wird nur während der Zeit geladen, in der der Schalter 4 ge schlossen ist. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 hat die Lampe 6 eine Zündspannung, die niedriger ist als die Spitzenspannung der gleichgerichteten Netzspannung.The electronic switch 4 is controlled by a device not shown Darge, which determines the duty cycle and the switching frequency of the switch 4 . The switching frequency is in the kilohertz range, for example between 1 and 200 kHz, and is referred to below as HF . When the lamp 6 is ignited, the charging capacitor 3 and the capacitor 5 are charged to the peak voltage of the rectified mains voltage, ie to approximately 310 V =, via the current limiting capacitor 1 . The capacitor 5 is charged only during the time that the switch 4 is closed ge. In the exemplary embodiment according to FIG. 1, the lamp 6 has an ignition voltage which is lower than the peak voltage of the rectified mains voltage.

Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist folgende: Wenn die Lampe 6 gezündet hat und der Schalter 4 ge schlossen ist, liegt die Lampe 6 an der vollen Gleich spannung und zieht einen steigenden Strom. Dieser Strom würde schließlich soweit ansteigen, daß er die Lampe zer stören würde. Nach einer von der Schaltfrequenz und dem Tastverhältnis des Schalters 4 abhängigen Zeit, öffnet der Schalter 4. Von da ab steht zur Versorgung der Lampe 6 nur noch die im Kondensator 5 gespeicherte Energie zur Ver fügung. Der Lampenstrom entlädt den Kondensator 5, wodurch leitend und der Lampenstrom steigt, bis der Schalter 4 wieder sperrt und der Lampenstrom wieder sinkt.The operation of this circuit is as follows: When the lamp 6 has ignited and the switch 4 is closed, the lamp 6 is at the full DC voltage and draws an increasing current. This current would eventually rise to the point of destroying the lamp. After a time dependent on the switching frequency and the duty cycle of the switch 4 , the switch 4 opens. From then on, only the energy stored in the capacitor 5 is available for supplying the lamp 6 . The lamp current discharges the capacitor 5 , making it conductive and the lamp current rising until the switch 4 blocks again and the lamp current drops again.

In Fig. 2 ist der impulsförmige Spannungsverlauf U ist am elektronischen Schalter 4 dargestellt. Die Lampe 6 wird dann von einem Gleichstrom durchflossen, der von einem HF-Wechselstrom überlagert ist. Der HF-Ersatzwiderstand der Lampe 6, der Kondensator 5, das Tastverhältnis und die Schaltfrequenz des Schalters 4 bestimmen, ob der Lampen strom I _L lückend (vgl. ausgezogene Stromkurve der Fig. 2) oder nichtlückend (vgl. gestrichelte Stromkurve der Fig. 2) ist. Vorteilhafterweise stellt man einen nichtlückenden Lampenstrom ein, so daß der relative HF- Stromanteil und damit auch die von der Lampe 6 abge strahlte HF-Strahlung gering sind. FIG. 2 shows the pulse-shaped voltage curve U on the electronic switch 4 . The lamp 6 is then flowed through by a direct current, which is superimposed by an HF alternating current. The RF equivalent resistance of the lamp 6 , the capacitor 5 , the pulse duty factor and the switching frequency of the switch 4 determine whether the lamp current I _{L is} incomplete (see solid current curve of FIG. 2) or non-incomplete (see dashed current curve of FIG. 2) ) is. Advantageously, a non-gap lamp current is set so that the relative HF current component and thus also the HF radiation emitted by the lamp 6 are low.

Alle drei Kondensatoren 1, 3 und 5 können in Vielschicht technik hergestellt werden. Der elektronische Schalter 4 kann ein MOS-Transistor sein.All three capacitors 1 , 3 and 5 can be manufactured using multilayer technology. The electronic switch 4 can be a MOS transistor.

Wenn die Lampe bei der Spitzenspannung der gleichge richteten Netzspannung noch nicht zündet, kann in die Schaltungsanordnung eine zusätzliche Zündschaltung aufgenommen werden. Eine derartige in Fig. 3 dargestellte Schaltungsanordnung entspricht im wesentlichen der Schal tungsanordnung nach Fig. 1. Hierbei ist der Lampe 6 eine Zündschaltung parallel geschaltet, die aus einem Lade widerstand 7, einem Impulskondensator 8, einem Sidac- Schaltelement 9 sowie einem Zündtransformator 10 besteht. Über den Ladewiderstand 7 wird der Impulskondensator 8 auf die über der Lampe 6 liegende Spannung aufgeladen. Sobald diese Spannung am Impulskondensator 8 die Schwellen spannung des Sidac-Schaltelementes 9 erreicht, wird dieses Schaltelement leitend, so daß sich der Impulskondensator 8 über die Primärwicklung des Zündtransformators 10 entlädt Schaltelement leitend, so daß sich der Impulskondensator 8 über die Primärwicklung des Zündtransformators 10 entlädt und dabei in dessen Sekundärwicklung einen Spannungsimpuls von einigen kV hervorruft, der zur Zündung der Lampe 6 ausreicht. Über dem Kondensator 5 steht nur ein vernach lässigbarer Bruchteil der Zündspannnung, so daß diese praktisch vollständig über der Lampe 6 steht und diese zündet. Nach dem Zünden der Lampe 6 laufen dieselben Vorgänge ab, wie anhand von Fig. 1 beschrieben.If the lamp does not yet ignite at the peak voltage of the rectified mains voltage, an additional ignition circuit can be included in the circuit arrangement. Such a circuit arrangement shown in Fig. 3 corresponds essentially to the circuit arrangement according to Fig. 1. Here, the lamp 6, an ignition circuit is connected in parallel, which consists of a charging resistor 7 , a pulse capacitor 8 , a Sidac switching element 9 and an ignition transformer 10 . The pulse capacitor 8 is charged to the voltage above the lamp 6 via the charging resistor 7 . Once this voltage at the pulse capacitor 8 voltage thresholds of the sidac switching element 9 is reached, the switching element becomes conductive, so that the pulse capacitor 8 via the primary winding of the ignition transformer 10 will discharge switching element conducting so that the pulse capacitor 8 discharges through the primary winding of the ignition transformer 10 and thereby causes a voltage pulse of a few kV in its secondary winding, which is sufficient to ignite the lamp 6 . There is only a negligible fraction of the ignition voltage above the capacitor 5 , so that it is practically completely above the lamp 6 and ignites it. After the lamp 6 has been ignited, the same processes take place as described with reference to FIG. 1.

Für die Zündschaltung ist zwar ein Zündtransformator 10 erforderlich, dessen Abmessungen jedoch klein gehalten werden können, weil die zum Zünden der Lampe 6 erforder liche Energie gering ist. Für die Integration der Schal tungsanordnung in die Lampe stellt dieser Zündtransforma tor somit kein Hindernis dar.For the ignition circuit, an ignition transformer 10 is required, but its dimensions can be kept small because the energy required to ignite the lamp 6 is low. For the integration of the circuit arrangement into the lamp, this ignition transformer is therefore not an obstacle.

Bei einem Ausführungsbeispiel zum Betrieb einer 18 W- Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe mit einer Lampenbrennspannung von etwa 120 V wiesen die wichtigsten Bauelemente der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 folgende Werte auf:In one exemplary embodiment for operating an 18 W low-pressure mercury vapor discharge lamp with a lamp operating voltage of approximately 120 V, the most important components of the circuit arrangement according to FIG. 1 had the following values:

Schaltfrequenz des elektronischen Schalters 4:  100 kHz
Strombegrenzungskondensator 1:  4,5 µF
Ladekondensator 3:  1 bis 5 µF
Kondensator 5:  10 nFSwitching frequency of the electronic switch 4 : 100 kHz
Current limiting capacitor 1 : 4.5 µF
Charging capacitor 3 : 1 to 5 µF
Capacitor 5 : 10 nF

Claims

1. Circuit arrangement for operating gas discharge lamps, consisting of a full-wave rectifier connected to an AC voltage network, the DC voltage of which is chopped by an electronic switch with a higher-frequency switching frequency and fed to the lamp, characterized in that between the AC voltage network and the full-wave rectifier ( 2 ) a current limiting capacitor ( 1 ) is inserted and the output of the full-wave rectifier is bridged by a series circuit with the electronic switch ( 4 ) and a capacitor ( 5 ), to which the lamp ( 6 ) is connected in parallel.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the lamp ( 6 ) an ignition circuit ( 7 to 10 ) is connected in parallel.