DE3538533A1 - Leuchtstofflampen-vorschaltgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Leuchtstofflampen-Vorschalt­ gerät mit einer Stromversorgungsschaltung, die zwei parallele Schaltungszweige speist, von denen jeder über eine Elektrode der Leuchtstofflampe führt und zwei in Reihe liegende Schalter enthält, einem Steuerwerk zum Steuern der Schalter und einer Induktivität zur Erzeu­ gung der Zündspannung für die Leuchtstofflampe.

Wenn eine Leuchtstofflampe mit Gleichstrom betrieben wird, ist es erforderlich, von Zeit zu Zeit eine Umpo­ lung des Stromes vorzunehmen, um Kataphorese an der Leuchtstofflampe zu vermeiden. Hierzu ist es bekannt, die Leuchtstofflampe in eine Art Brückenschaltung zwischen zwei Schaltungszweige zu schalten, von denen jeder zwei Schalter enthält. Während des Betriebes der Leuchtstofflampe sind jeweils zwei diagonal in der Brückenschaltung angeordnete Schalter geschlossen, während die beiden anderen diagonal angeordneten Schal­ ter geöffnet sind. Die beiden Schaltergruppen können in größeren Zeitabständen umgeschaltet werden. Bei den bekannten Vorschaltgeräten werden als Schalter in den Schaltungszweigen elektronische Schaltelemente benutzt, z.B. Tranistoren. Da aber maximal nur zwei der vier Schalter an Massepotential liegen, müssen für die An­ steuerung der beiden anderen Schalter zusätzliche schaltungstechnische Maßnahmen ergriffen werden, um die Steuerspannung auf das benötigte Potential anzuheben. Ein weiterer Nachteil solcher Vorschaltgeräte besteht darin, daß die Schalter nicht unbeträchtliche Verlust­ leistungen haben, weil an ihnen im leitenden Zustand Spannungsabfälle auftreten. Das Ersetzen der elektro­ nischen Schalter durch mechanische Schalter ist nicht ohne weiteres möglich, weil durch das häufige Schalten größerer Ströme Abnutzungserscheinungen an solchen Schaltern auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leucht­ stofflampen-Vorschaltgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine einfache Ansteuerung der in den Schaltungszweigen enthaltenen Schalter ermöglicht und bei dem diese Schalter von der hohen Schaltleistung, bei den Abschaltvorgängen entlastet werden.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß da­ rin, daß mindestens zwei der in den beiden Schaltungs­ zweigen enthaltenen Schalter potentialfreie Schalter sind, bei denen jeweils der Steuerkreis von dem Ar­ beitskreis potentialmäßig getrennt ist, und daß den Schaltungszweigen ein elektronischer Schalter pa­ rallelgeschaltet ist, der die Schaltungszweige während jeder Umsteuerung ihrer Schalter kurzschließt.

Bei dem erfindungsgemäßen Vorschaltgerät werden die Schaltungszweige vor jedem Umschaltvorgang der in ihnen enthaltenen Schalter sowie während der Zündvorgänge nach Beendigung der Heizphase dadurch kurzgeschlossen, daß der elektronische Schalter kurzzeitig in den lei­ tenden Zustand gesteuert wird. Während der Umschalt­ vorgänge sind die beiden Schaltungszweige spannungs­ und stromlos, so daß keine Umschaltverluste eintreten. Als Schalter werden potentialfreie Schalter eingesetzt, z.B. Relais oder Reed-Schalter. Derartige potential­ freie Schalter können vom Steuerwerk aus auf einfache Weise angesteuert werden. Ihre Steuerkreise sind bei­ spielsweise mit einem Pol an Masse gelegt, während der andere Pol mit dem Steuerwerk verbunden ist. Da die Schalter nur relativ selten und dabei leistungslos um­ geschaltet werden, haben sie eine hohe Lebensdauer. Der elektronische Schalter übernimmt den durch die Induk­ tivität fließenden Laststrom, wenn er geschlossen wird.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der elektronische Schalter zum Zünden der Leuchtstoff­ lampe derart gesteuert, daß er im Anschluß an die Kurz­ schlußzeit mehrere Zündimpulse liefert. Hierzu wird der elektronische Schalter von dem Steuerwerk periodisch ein- und ausgeschaltet. Beispielsweise können etwa 100 Zündimpulse geliefert werden, die jeweils während der Sperrphasen des elektronischen Schalters auftreten. In diesen Sperrphasen liefert die Induktivität, die be­ strebt ist, den Strom aufrechtzuerhalten, eine hohe Spannung an die Elektroden der Leuchtstofflampe. Wenn durch die Zündimpulse die Leuchtstofflampe gezündet worden ist, können die Zündimpulse anschließend noch fortgesetzt werden, wobei sie dann wegen der zum elek­ tronischen Schalter parallelliegenden gezündeten Leucht­ stofflampe eine geringere Amplitude haben.

Die Erzeugung von Zündimpulsen ist nicht nur auf die Zeitspanne beschränkt, die sich unmittelbar an die Vor­ heizphase anschließt, sondern Zündimpulse können auch bei dem jeweiligen Umpolen der Leuchtstofflampe erzeugt werden. Wenn die Leuchtstofflampe im Dimmzustand, also mit geringem Strom, betrieben wird und bei geringer Umgebungstemperatur arbeitet, kann es unter Umständen vorkommen, daß sie beim Umpolen erlischt. Durch die Zündimpulse wird sichergestellt, daß die Leuchtstoff­ lampe, wenn sie erloschen ist, von neuem gezündet wird.

Der elektronische Schalter übernimmt sämtliche dyna­ mischen Schaltfunktionen, die durch die Unterbrechung des Stromes durch die Induktivität auftreten. An diesem Schalter können daher hohe Spannungen auftreten. Zweck­ mäßigerweise sind die Ausschaltphasen zwischen zwei Zündimpulsen so kurz, daß an dem elektronischen Schal­ ter bei nicht gezündeter Leuchtstofflampe infolge der von der Induktivität erzeugten Spannung ein reversibler Spannungsdurchbruch auftritt. Bei einem solchen Span­ nungsdurchbruch wirkt der Transistor wie eine Zener­ diode, d.h. er wird leitend und erzeugt dabei einen bestimmten Spannungsabfall. Wenn der Transistor an­ schließend in den leitenden Zustand gesteuert wird, ist er wieder normal funktionsfähig. Nur wenn der Über­ lastungsbetrieb im Sperrzustand des Transistors längere Zeit anhält, wird der Transistor zerstört. Die Frequenz der Zündsteuerimpulse ist so bemessen, daß der irrever­ sible Zerstörungszustand nicht eintritt.

Wenn in der Vorheizphase alle vier Schalter der Schal­ tungszweige geschlossen sind, existieren zwei parallele Stromwege zur Erzeugung des Heizstromes für die Elek­ troden der Leuchtstofflampe. Jeder dieser Stromwege wird von einem Heizstrom durchflossen, der größer ist als der Betriebsstrom der Leuchtstofflampe. Die Strom­ versorgungsschaltung muß daher so ausgelegt sein, daß sie einen Strom liefern kann, der dem doppelten Heiz­ strom entspricht. Um die Lieferkapazität der Strom­ lieferschaltung zu verringern, ist gemäß einer vorteil­ haften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß ein weiterer Schalter die Gasstrecke der Leuchtstofflampe derart überbrückt, daß zwei Schalter der Schaltungs­ zweige mit den beiden Elektroden der Leuchtstofflampe und dem weiteren Schalter eine Reihenschaltung bilden und daß der weitere Schalter nur während der Vorheiz­ phase leitend gesteuert ist. Hierbei sind die beiden Elektroden der Leuchtstofflampe in der Vorheizphase in Reihe geschaltet.

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

Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer ersten Ausführungsform des Leuchtstofflampen-Vor­ schaltgerätes,

Fig. 2 eine Teildarstellung einer weiteren Aus­ führungsform des Vorschaltgerätes und

Fig. 3 verschiedene Schaltzustände bzw. Spannungs­ verläufe an den einzelnen Schaltern des Vor­ schaltgerätes von Fig. 2.

Das in Fig. 1 dargestellte Vorschaltgerät weist eine Stromversorgungsschaltung 10 auf, bei der es sich um eine steuerbare Konstantstromquelle handelt. Die Strom­ versorgungsschaltung 10 liefert an ihrem Ausgang einen Strom, dessen Höhe von einem Steuersignal abhängt, das über die Steuerleitung 11 von dem Steuerwerk 12 gelie­ fert wird. An den Ausgang der Stromversorgungsschaltung ist eine Diode 13 geschaltet, deren Anode mit dem Minus­ pol und deren Kathode mit dem Pluspol verbunden ist. Der Minuspol ist an Masse gelegt.

Im Lastkreis der Stromversorgungsschaltung 10 sind eine Induktivität L, ein Stromfühler I und die beiden paral­ lelen Schaltungszweige 14 a, 14 b in Reihe geschaltet. Der Schaltungszweig 14 a besteht aus einer Reihenschal­ tung aus dem Schalter S ₁, der einen Elektrode 15₁ der Leuchtstofflampe 15 und dem Schalter S ₃. Der andere Schaltungszweig 14 b besteht aus der Reihenschaltung aus dem Schalter S ₂ der Elektrode 15₂, der Leuchtstofflampe 15 und dem Schalter S ₄.

Die Schalter S ₁ bis S ₄ sind bei dem vorliegenden Aus­ führungsbeispiel Magnetschalter in Schutzgasatmosphäre. Diese Schalter werden über Steuerleitungen 16₁ bis 16₄ von dem Steuerwerk 12 in noch zu erläuternder Weise gesteuert. Parallel zu den Schaltungszweigen 14 a und 14 b ist der elektronische Schalter T, im vorliegenden Fall ein Transistor, geschaltet. Dieser Schalter T, dessen eine Elektrode an Massepotential liegt, wird über die Steuerleitung 17 vom Steuerwerk 12 gesteuert.

Nach dem Einschalten des Vorschaltgerätes werden die Elektroden 15₁ und 15₂ in einer Vorheizphase geheizt. Hierzu sind alle Schalter S ₁ bis S ₄ im leitenden Zu­ stand, so daß durch jede der beiden Elektroden ein Heiz­ strom fließt. In der Vorheizphase ist der elektronische Schalter T gesperrt. Der Heizstrom wird also über die Induktivität L und den Stromfühler I an die Schaltungs­ zweige 14 a und 14 b geliefert. Unmittelbar nach der Vor­ heizphase wird der elektronische Schalter T von dem Steuerwerk 12 in den leitenden Zustand gesteuert, so daß der Laststrom der Stromversorgungsschaltung nicht unterbrochen wird und die Schaltungszweige 14 a und 14 b kurzgeschlossen werden. Dann werden im stromlosen Zu­ stand entweder die Schalter S ₁ und S ₄ oder die Schalter S ₂ und S ₃ in den Sperrzustand geschaltet. Unmittelbar nach Beendigung dieses Schaltvorganges wird der Schal­ ter T gesperrt. Da die Induktivität L versucht, den bisherigen Laststrom aufrechtzuerhalten, entsteht am Schalter T und an der Leuchtstofflampe 15 eine hohe Spannung zum Zünden der Leuchtstofflampe. In jeder Zündphase wird von dem Steuerwerk 12 eine bestimmte Anzahl von Steuerimpulsen für z.B. hundert Zündimpulse erzeugt. Bei jedem Zündimpuls, der im Sperrzustand von T gebildet wird, entsteht bei noch nicht gezündeter Leuchtstofflampe an T ein reversibler Spannungsdurch­ bruch. Die Impulspausen, in denen T leitend ist, sind einerseits so lang, daß T sich im leitenden Zustand von dem Spannungsdurchbruch erholen kann, und andererseits so kurz, daß keine wesentliche Rekombination der La­ dungsträger in der Leuchtstofflampe erfolgen kann. Durch die kurzzeitig aufeinanderfolgenden Zündimpulse wird das Gas in der Leuchtstofflampe zunehmend ioni­ siert, bis die Zündung erfolgt. Dabei wird nicht, wie üblich, ein einziger Zündimpuls erzeugt, der die ge­ samte Zündenergie aufbringen muß, sondern die Zündener­ gie wird über mehrere Zündimpulse verteilt. Dies hat den Vorteil, daß der Wert der Induktivität L auf einen Bruchteil des sonst üblichen Wertes verringert werden kann. Nach Beendigung der Zündimpulssteuerung wird die Leuchtstofflampe 15 z.B. bei geschlossenen diagonalen Schaltern S ₁ und S ₄ und geöffneten diagonalen Schaltern S ₂ und S ₃ betrieben. Nach einer Zeit von z.B. 30 min. erfolgt eine Umpolung, wobei die Schalter S ₁ und S ₄ geöffnet und die Schalter S ₂ und S ₃ geschlossen werden. Kurz vor dieser Umpolung wird Schalter T leitend, so daß die Umpolung der in den Schaltungszweigen 14 a und 14 b enthaltenen Schalter im spannungslosen Zustand er­ folgt. Anschließend wird T wieder gesperrt und danach können von neuem durch entsprechende Zündsteuerung von T Zündimpulse in der zuvor beschriebenen Weise erzeugt werden, um in dem Fall, daß die Leuchtstofflampe beim Umpolen erloschen ist, eine erneute Zündung zu be­ wirken.

Der Betriebsstrom, den das Steuerwerk 12 über die Steuerleitung 11 an der Stromversorgungsschaltung 10 einstellt, ist niedriger als der Heizstrom, der in der Vorheizphase fließt. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 wird für jede der Elektroden 15₁ und 15₂ ein eigener Heizstrom benötigt, d.h. die Stromversorgungs­ schaltung 10 und die Induktivität L müssen so ausgelegt sein, daß sie imstande sind, den doppelten Heizstrom zu liefern, während der nach dem Zünden fließende Betriebs­ strom sogar niedriger ist als der einfache Heizstrom.

Die Schaltung nach Fig. 2 zeigt eine Möglichkeit, den benötigten Heizstrom, den die Stromversorgungsschaltung 10 liefern muß, zu verringern. Hierzu ist ein weiterer Schalter S ₅ parallel zur Gasstrecke der Leuchtstoff­ lampe 15 geschaltet. Der eine Pol des Schalters S ₅ ist mit dem Verbindungspunkt der Elektrode 15₁ und dem Schalter S ₃ verbunden und der andere Pol ist mit dem Verbindungspunkt der Elektrode 15₂ und des Schalters S ₂ verbunden. Die Schalter S ₂ und S ₃ liegen einander diago­ nal gegenüber. Wenn S ₁, S ₅ und S ₄ geschlossen sind, bilden diese drei Schalter zusammen mit den Elektroden 15₁ und 15₂ eine Reihenschaltung. Dies ist bei der Schaltung nach Fig. 2 in der Vorheizphase der Fall, in der die beiden anderen diagonalen Schalter S ₂ und S ₃ geöffnet sind. In der Vorheizphase fließt also über eine Elektrode 15₁ und 15₂, die in Reihe liegen, der­ selbe Strom.

In Fig. 3 sind die Schalterzustände der Schaltung nach Fig. 2 dargestellt. In Fig. 3 sind jeweils die Steuer­ spannungen der Schalter S ₁ bis S ₅ und die Spannung am elektronischen Schalter T dargestellt. Wenn der betref­ fende Schalter leitend ist, hat die Amplitude der be­ treffenden Kurve den Wert Null und wenn der Schalter im Sperrzustand ist, an ihm also eine Spannung ansteht, ist der Amplitudenwert der Kurve größer als Null. Die Schalter S ₁ und S ₄ werden jeweils synchron und gleich­ phasig zueinander gesteuert und die Schalter S ₂ und S ₃ werden ebenfalls synchron und gleichphasig zueinander gesteuert.

In der Vorheizphase VHP ist S ₅ leitend; S ₁ und S ₄ sind ebenfalls leitend; S ₂ und S ₃ sind gesperrt und T ist ebenfalls gesperrt. Auf diese Weise fließt der Strom von Pluspol über die Induktivität L, den Stromfühler I, den Schalter S ₁, die Elektrode 15₁, den Schalter S ₅, die Elektrode 15₂ und den Schalter S ₄ zum Minuspol. Kurz vor Beendigung der Vorheizphase VHP wird T lei­ tend. Die Vorheizphase wird beendet, wenn T leitend wird. Nach erfolgtem Sperren von S ₅ wird der elektro­ nische Schalter T von dem Steuerwerk 12 getaktet, um eine Folge aus zahlreichen Zündimpulsen 18 zu erzeugen. Jeder Zündimpuls 18 entsteht in der Zeit, in der T im Sperrzustand ist. Die Zündimpulse 18 haben eine Impuls­ dauer von etwa 14 µs und dazwischen liegen Impulspausen von etwa 7 µs. Durch die Entladung der Induktivität L baut sich bei jedem Zündimpuls eine hohe Amplitude auf, solange die Leuchtstofflampe 15 nicht gezündet hat. Beim Zünden der Leuchtstofflampe verringern sich die Amplituden der Zündimpulse 18, bis sie schließlich den Wert der Betriebsspannung der Leuchtstofflampe 14 an­ nehmen. Nach Beendigung der Zündimpulse 18 verbleibt T im Sperrzustand.

Der Stromfühler I hat unter anderem die Funktion, daß er in der Vorheizphase VHP den Heizstrom überwacht. Wenn eine der Elektroden der Leuchtstofflampe 15 ge­ brochen ist, kann kein Heizstrom fließen. Die Lampe kann aber dennoch funktionsfähig sein. Das Steuerwerk 12 steuert dann alle Schalter S ₁ bis S ₄ in den leiten­ den Zustand, so daß die Vorheizung dann in gleicher Weise erfolgt wie bei Fig. 1. Wenn der Stromfühler I auch in diesem Zustand keinen Heizstrom feststellt, schaltet das Steuerwerk die Stromversorgungsschaltung 10 ab.

Der elektronische Schalter T dient einerseits zur Er­ zeugung der Zündimpulse und andererseits dazu, die aus den beiden Schaltungszweigen bestehende Brückenschal­ tung zur Durchführung von Umschaltvorgängen kurzzu­ schließen.

Wenn nach längerer Gleichstrom-Betriebsweise der Leuchtstofflampe eine Umpolung erfolgen soll, wird un­ mittelbar vor dem Zeitpunkt t ₁ der Umpolung der Schalter T leitend (Fig. 3). Zum Zeitpunkt t ₁ werden S ₁ und S ₄ gesperrt, während S ₂ und S ₃ leitend werden.

Nach Beendigung der Leitendphase von T, die eine vor­ bestimmte Zeitlang dauert, werden Zündimpulse 18 in der zuvor schon beschriebenen Weise erzeugt, um in dem Fall, daß die Lampe beim Umpolen erloschen ist, eine Neuzündung zu bewirken. Falls die Lampe nicht erloschen ist, haben die Zündimpulse die Amplitude der Lampen­ brennspannung. Sie wirken sich nicht störend auf den Betrieb der Lampe aus. Die Periodendauer der Umpolung kann einen festen Wert von z. B. 30 min. haben, es ist aber auch möglich, die Periodendauer entsprechend dem Lampenstrom zu variieren.

Claims (8)

1. Leuchtstofflampen-Vorschaltgerät mit einer Strom­ versorgungsschaltung, die zwei parallele Schal­ tungszweige (14 a, 14 b) speist, von denen jede über eine Elektrode der Leuchtstofflampe (14) führt und zwei in Reihe liegende Schalter (S ₁, S ₃; S ₂, S ₄) ent­ hält, einem Steuerwerk (12) zum Steuern der Schal­ ter und einer Induktivität (2) zur Erzeugung der Zündspannung für die Leuchtstofflampe, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der in den beiden Schaltungs­ zweigen (14 a, 14 b) enthaltenen Schalter potential­ freie Schalter sind, bei denen jeweils der Steuer­ kreis von dem Arbeitskreis potentialmäßig getrennt ist und daß den Schaltungszweigen ein elektro­ nischer Schalter (T) parallelgeschaltet ist, der die Schaltungszweige während jeder Umsteuerung ihrer Schalter (S ₁ bis S ₄) kurzschließt.

2. Leuchtstofflampen-Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (T) zum Zünden der Leuchtstofflampe (15) derart gesteuert ist, daß er im Anschluß an die Kurzschlußzeit mehrere Zündimpulse (18) liefert.

3. Leuchtstofflampen-Vorschaltgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerwerk (12) die Schalter (S ₁ bis S ₄) der Schaltungszweige (14 a, 14 b) in Abständen von mehreren Minuten zur Umpolung der Leuchtstofflampe (15) umsteuert und nach jeder Umsteuerung der elektronische Schalter (T) mehrere Zündimpulse liefert.

4. Leuchtstofflampen-Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die potentialfreien Schalter (S ₁ bis S ₄) magnetisch betätigte Relaisschalter sind.

5. Leuchtstofflampen-Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündimpulse (18) so kurz sind, daß an dem elektro­ nischen Schalter (T) bei nicht gezündeter Leucht­ stofflampe (15) infolge der von der Induktivität (L) erzeugten Spannung ein reversibler Spannungs­ durchbruch auftritt.

6. Leuchtstofflampen-Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Schalter (S ₅) die Gasstrecke der Leucht­ stofflampe (15) derart überbrückt, daß zwei Schal­ ter (S ₁, S ₄) beider Schaltungszweige (14 a, 14 b) mit den beiden Elektroden (15₁, 15₂) der Leuchtstoff­ lampe (15) und dem weiteren Schalter (S ₅) eine Reihenschaltung bilden und daß der weitere Schal­ ter (S ₅) nur während der Vorheizphase (VHP) lei­ tend gesteuert ist.

7. Leuchtstofflampen-Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Lastkreis der Stromversorgungsschaltung (10) ein Stromfühler (I) enthalten ist und daß das Steuer­ werk (12) in der Vorheizphase (VHP) feststellt, ob im Lastkreis ein Strom fließt, und in dem Fall, daß kein Strom fließt, alle vier Schalter (S ₁ bis S ₄) der Schaltungszweige (14 a,14 b) in den leiten­ den Zustand steuert.

8. Leuchtstofflampen-Vorschaltgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerwerk (12) in dem Fall, daß auch nach Leitendschaltung aller vier Schalter (S ₁ bis S ₄) noch kein Strom fließt, die Stromversorgungsschaltung (10) in eine defi­ nierte Wartestellung schaltet, so daß nach Ent­ fernen der defekten Lampe und Einsetzen einer funktionsfähigen Lampe selbsttätig ein neuer Startvorgang eingeleitet wird.