DE3607109C1 - Ballast for discharge lamps - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem bekannten Vorschaltgerät, von dem der Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 ausgeht (DE-OS 29 04 393), sind zwei parallele Schaltungszweige vorgesehen, von denen jeder eine der Elektroden einer Zweistift-Entla­ dungslampe speist. Die in den Schaltungszweigen enthal­ tenen Schalter werden von einem Steuerwerk gesteuert. Die Schaltungszweige haben hierbei ausschließlich die Funktion der Kommutierung des Lampenstromes mit einer Frequenz, die größer ist als die Netzfrequenz. Der Lam­ penstrom wird durch einen Stromfühler erfaßt und dem Regler zugeführt, der das Schaltglied derart steuert, daß dieses Impulse mit einem vom Stromwert abhängigen Tastverhältnis erzeugt. Dem Regler wird als Führungs­ größe ein Referenzwert zugeführt, der veränderbar ist, um das Einstellen der Helligkeit zu gestatten. Die in der Reihenschaltung enthaltene Induktivität dient le­ diglich als Glättungsdrossel.

Bei dem bekannten Vorschaltgerät ist ein Vorheizen der Lampenelektroden nicht möglich. Zum Zünden der Lampe wird ein mit der Lampe in Reihe geschalteter Starter benutzt, der Hochspannungsimpulse erzeugt. Die Funk­ tionen Starten, Kommutieren und Stromregelung sind von­ einander getrennt und beeinflussen sich gegenseitig nicht. Ein derartiges Vorschaltgerät ist ausschließlich für Bodenentladungslampen anwendbar, bei denen keine Vorheizung erforderlich ist.

Gemäß einer älteren (nicht vorveröffentlichten) Patent­ anmeldung (P 35 17 297.5-33) sind die heizbaren Elek­ troden einer die Entladungslampe bildenden Leuchtstoff­ lampe jeweils zwischen die elektronischen Schalter ei­ nes Schaltungszweiges geschaltet. Zum Aufheizen der Elektroden werden von dem Steuerwerk alle vier elek­ tronischen Schalter in den leitenden Zustand gesteuert. Nach einer definierten Vorheizzeit werden zwei diagonal gegenüberliegende elektronische Schalter gesperrt, um die Zündung der Leuchtstofflampe zu ermöglichen. Hier­ bei werden durch das Steuerwerk die Vorheizphase, die Zündphase und die Betriebsphase nacheinander eingelei­ tet und gesteuert. Es hat sich herausgestellt, daß Leuchtstofflampen, insbesondere Krypton-Lampen, in der Anfangsphase kurz nach dem Zünden unruhig brennen, wenn diese Leuchtstofflampen mit Gleichstrom oder mit nie­ derfrequentem Strom betrieben werden. Dieses unruhige Brennen ist darauf zurückzuführen, daß kurz nach dem Zünden die Oberflächentemperatur der Lampe zu gering und ungleichmäßig verteilt ist. Nach einer gewissen Zeit von z. B. einer Minute, stabilisiert sich die Ent­ ladung. Wird die Entladungslampe dagegen mit Hochfre­ quenz betrieben, tritt das unruhige Brennen in der An­ fangsphase nicht auf, jedoch hat der Hochfrequenzbe­ trieb den Nachteil, daß hohe Umschaltverluste entstehen und daß andere elektrische Schaltungen durch abge­ strahlte elektromagnetische Wellen beeinflußt werden können. Ferner treten Nachteile beim Dimmen der Leucht­ stofflampe auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vor­ schaltgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, das mit einfachen Mitteln einen definier­ ten Betrieb und eine sichere Zündung der Leuchtstoff­ lampe ermöglicht, geringe Umschaltverluste hat und ein unruhiges Brennen der Lampe in der Anfangsphase nach dem Zünden vermeidet.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentan­ spruchs 1.

Nach der Erfindung wird bei einem Vorschaltgerät nach Patentanmeldung P 35 17 297.5 im Anschluß an die Zünd­ phase ein Wechselstrombetrieb durchgeführt, in der die elektronischen Schalter derart gesteuert werden, daß die Leuchtstofflampe mit einer oberhalb von 50 Hz lie­ genden Frequenz umgepolt wird. Durch diesen Wechsel­ strombetrieb in der Anfangsphase wird ein stabiles Bren­ nen der noch nicht gleichmäßig aufgeheizten Lampe sicher­ gestellt. Wenn nach etwa einer Minute die Lampentempera­ tur angestiegen ist, wird vom Wechselstrombetrieb auf Gleichstrombetrieb umgeschaltet, um die Nachteile des Wechselstrombetriebes zu vermeiden. Bei dem Gleichstrom­ betrieb erfolgt zur Vermeidung von Kataphorese von Zeit zu Zeit eine Umpolung der Leuchtstofflampe.

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

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild des Vorschalt­ geräts,

Fig. 2 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Erzeugung des Lampenstromes,

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Umpolung des Lampenstromes,

Fig. 4 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Steue­ rung der elektronischen Schalter nach dem Einschalten der Leuchtstofflampe und

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Lampenstro­ mes in der Wechselstromphase.

Das in Fig. 1 dargestellte Vorschaltgerät weist eine Gleichrichterschaltung 10 auf, die über einen Tiefpaß 11 zur Eliminierung von Störspannungen aus dem oder in das Versorgungsnetz mit einer Wechselspannung gespeist wird. Die Gleichrichterschaltung 10 erzeugt eine Gleichspannung, die nicht geregelt sein muß, und deren Höhe von der angelegten Netzspannung abhängig sein kann.

An den Pluspol der Versorgungsspannung ist das Schalt­ glied T _s angeschlossen, bei dem es sich um einen Schalttransistor handelt. Aus Gründen des einfacheren Verständnisses sind das Schaltglied T _s und die nachfol­ gend noch zu beschreibenden elektronischen Schalter in der Zeichnung als mechanische Schalter dargestellt. Das Schaltglied T _s ist mit dem Stromfühler I und der Induk­ tivität L in Reihe geschaltet. An diese Reihenschaltung ist die Parallelschaltung der beiden Schaltungszweige 12 und 13 angeschlossen. Das andere Ende dieser Paral­ lelschaltung ist mit dem Minuspol des Gleichrichters 10 verbunden.

Der Schaltungszweig 12 enthält die elektronischen Schalter T ₁ und T ₃, zwischen die die eine Elektrode 14 ₁ der Leuchtstofflampe 14 geschaltet ist. Der andere Schaltungszweig 13 enthält die Reihenschaltung der elektronischen Schalter T ₂ und T ₄, zwischen die die zweite Elektrode 14 ₂ der Leuchtstofflampe 14 geschaltet ist.

Die Schalter T ₁ bis T ₄ werden von dem logischen Steuer­ werk 15 gesteuert, bei dem es sich beispielsweise um einen Mikroprozessor handeln kann.

Es sei angenommen, daß die Schalter T ₁ bis T ₄ im lei­ tenden Zustand sind oder daß auf andere Weise über die von den Schaltungszweigen 12, 13 und der Lampe 14 gebil­ dete 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 Brücken­ schaltung. Dieser Strom i _L , der in Fig. 2 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 16 mit Hysterese verbunden, dessen Ausgang das Schaltglied T _S steuert. Der A-Eingang des Komparators empfängt von dem Steuerwerk 15 eine Steuer­ spannung. Der Komparator 16 erzeugt aus der Steuerspan­ nung zwei Referenzspannungen, von denen die eine einem maximalen Lampenstrom i _L max. und die andere einem mini­ malen Lampenstrom i _L min. entspricht. Wenn der Lampen­ strom den maximalen Referenzwert i _L max. erreicht, sperrt der Komparator 16 das Schaltglied T _S , d. h. der Reihenstromkreis wird unterbrochen. Die Induktivität L versucht nun, den Strom, der zuvor geflossen ist, auf­ rechtzuerhalten, so daß der Spulenstrom i _L langsam ab­ fällt. Wenn dieser Strom den unteren Grenzwert i _L min. erreicht, schaltet der Komparator 16 das Schaltglied T _S wieder in den leitenden Zustand, wodurch der Lampen­ strom i _L im Reihenstromkreis wieder ansteigt. In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf des Spannungsabfalls U _L an der Induktivität L und der zeitliche Verlauf des Stro­ mes i _L dargestellt. Man erkennt, daß der Strom sich innerhalb der Grenzwerte i _L max. und i _L min., die relativ nahe beieinander liegen, zeitlich verändert, und nahezu konstant bleibt. Die Höhe des Bandes zwischen i _L max. und i _L min. kann durch die vom Steuerwerk 15 dem Kom­ parator 16 zugeführte Steuerspannung verändert werden. Der zeitliche Verlauf des Stromes i, der dem Gleich­ richter 10 entnommen wird, ist in Fig. 1 dargestellt. Dieser Strom ist sägezahnförmig, wobei die einzelnen Sägezähne durch Lücken voneinander getrennt sind. Damit bei gesperrtem Schaltglied T _S der Lampenstrom fließen kann, ist die Ausgangsseite dieses Schaltgliedes über eine Freilaufdiode 17 mit dem negativen Pol der Gleich­ richterschaltung 10 verbunden. An diesen negativen Pol ist die Anode der Freilaufdiode 17 angeschlossen.

Vor dem Starten der Lampe 14 werden die Elektroden 14 ₁ und 14 ₂ 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. Nach Zünden der Leucht­ stofflampe kann durch entsprechende Steuerung des Kom­ parators 16 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 14 erforderlichen Spannungsan­ stieg. Die Lampe wird nun über längere Zeit, z. B. über eine Stunde, über die Schalter T ₂ und T ₃ betrieben, wobei die Elektrode 14 ₂ positives Potential und die Elektrode 14 ₁ negatives Potential hat. In Fig. 3 ist der Lampenstrom i _L über der Zeit t dargestellt, wobei jedoch der Zeitmaßstab viel größer ist als derjenige von Fig. 2. Während der ersten Halbperiode 1 HP, in der diese Polung aufrechterhalten wird, wird das Ausgangs­ signal des Stromfühlers I von dem Integrator 18 inte­ griert. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß das Integral ∫i _L dt mit der Zeit linear ansteigt. Dieses Integral wird vom Integrator 18 dem Steuerwerk 15 zugeführt. Wenn das Integral einen vorgegebenen Maximalwert er­ reicht hat, bewirkt das Steuerwerk 15, daß die Schalter T ₂ und T ₃ gesperrt und die Schalter T ₁ und T ₄ leitend werden. Der Strom fließt dann über T ₁, die Lampe 14 und T ₄, so daß die Lampe 14 umgepolt wird. Gleichzeitig mit der Umpolung wird der Integrator 18 umgesteuert, so daß er nunmehr abwärts integriert. Die Aufwärts- und Ab­ wärtsintegration wird über die Leitungen 19 vom logi­ schen Steuerwerk 15 gesteuert. Wenn das Integral den Wert 0 erreicht hat, wird die zweite Halbperiode 2 HP beendet und die Schalter T ₂ und T ₃ werden wieder lei­ tend, während die Schalter T ₁ und T ₄ gesperrt werden. Durch den Integrator 18 wird also erreicht, daß das Stromintegral in der ersten Halbperiode gleich dem Stromintegral in der zweiten Halbperiode ist. Auf diese Weise werden unterschiedliche Stromstärken, die zwi­ schenzeitlich durch den Komparator 16 verursacht sein können, berücksichtigt, und es wird erreicht, daß die Strombeaufschlagung der Lampe 14 in beiden Richtungen gleich ist.

Abweichend von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die Umpolung auch so gesteuert werden, daß eine Halbperiode stets eine vorbestimmte konstante Dauer hat und nicht durch das Erreichen eines vorgegebenen Maxi­ malwertes des Integrals beendet wird.

In Fig. 4 ist die Steuerung der Schalter T ₁ bis T ₄ dar­ gestellt. Die diagonalen Schalter T ₁ und T ₄ werden syn­ chron zueinander gesteuert und in gleicher Weise werden die beiden anderen diagonalen Schalter T ₂ und T ₃ eben­ falls synchron zueinander gesteuert. In der Vorheizpha­ se VH sind alle vier elektronischen Schalter einge­ schaltet, d. h. leitend. An die Vorheizphase VH schließt sich die Zündphase ZP an. In der Zündphase wird das diagonale Schalterpaar T ₂, T ₃ im leitenden Zustand ge­ halten, während das andere diagonale Schalterpaar T ₁, T ₄ periodisch leitend gemacht und gesperrt wird. Dadurch werden in der Zündphase Zündimpulse erzeugt. Die Dauer eines jeden Zündimpulses, bei dem T ₁ und T ₄ gesperrt sind, beträgt 7 µs und die Dauer der darauffolgenden Impulspause, in der T ₁ und T ₄ leitend sind, ist etwa doppelt so groß, beim vorliegenden Ausführungsbeispiel 15 µs. Die Periodendauer der Zündimpulse beträgt somit 22 µs. In der Zündphase ZP werden beispielsweise hun­ dert Zündimpulse erzeugt.

Bei jedem der in der Zündphase ZP erzeugten Zündimpulse wird ein Zündversuch durchgeführt. Das Steuerwerk 15 liefert eine bestimmte Anzahl von Steuerimpulsen zur Erzeugung von z. B. hundert Zündimpulsen. Die Impuls­ pausen, in denen T ₁ und T ₄ leitend sind, sind einer­ seits so lang, daß T ₁ oder T ₄ sich im leitenden Zustand von dem Spannungsdurchbruch erholen kann, und anderer­ seits so kurz, daß keine wesentliche Rekombination der Ladungsträger in der Leuchtstofflampe 14 erfolgen kann. Durch die kurzzeitig aufeinanderfolgenden Zündimpulse wird das Gas in der Leuchtstofflampe zunehmend ioni­ siert bis die Zündung erfolgt. In der Regel sind nur etwa fünf bis zehn Zündimpulse erforderlich. Die rest­ lichen Zündimpulse werden bei bereits gezündeter Leuchtstofflampe erzeugt, was für den Betrieb nicht schädlich ist. In der Zündphase ZP sind die Schalter T ₂ und T ₃ gesperrt.

Im Anschluß an die Zündphase wird von dem Steuerwerk die Wechselstromphase WP durchgeführt, in der die Schalterpaare T ₁, T ₄ und T ₂, T ₃ gegenläufig zueinander gesteuert werden, so daß die Leuchtstofflampe mit Wech­ selstrom betrieben wird, um im Anschluß an das Zünden eine stabile Leuchtfunktion zu erhalten. Die Wechsel­ stromphase WP hat eine festgelegte Dauer von beispiels­ weise 1 min. Im Anschluß an die Wechselstromphase wird die Betriebsphase BP mit Gleichstrom durchgeführt, die oben schon erläutert wurde.

Fig. 5 zeigt schematisch den Verlauf des Lampenstromes i _L in der Wechselstromphase WP. Man erkennt, daß das eine Schalterpaar T ₁, T ₄ erst dann leitend wird, wenn das andere Schalterpaar T ₂, T ₃ mit Sicherheit gesperrt ist, so daß die positiven und negativen Impulse durch kurze Abschnitte, in denen alle vier Schalter gesperrt sind, voneinander getrennt sind. Die entsprechende Zeitsteuerung der Schalter erfolgt durch das Steuerwerk 15.

Claims (3)

1. Vorschaltgerät für Entladungslampen, mit
einer an einen Pol einer Versorgungsgleich­ spannung angeschlossenen Reihenschaltung aus einem Schaltglied (T _S ), einem Stromfühler (I) und einer Induktivität (L) sowie einer zwischen der Aus­ gangsseite des Schaltgliedes (T _s ) und dem anderen Pol der Versorgungsgleichspannung angeordneten Diode (17),
zwei parallelen Schaltungszweigen (12, 13), die zwischen dem Ausgang der Reihenschaltung und dem anderen Pol der Versorgungsgleichspannung an­ geordnet sind und je zwei in Reihe geschaltete elektronische Schalter (T ₁, T ₃; T ₂, T ₄) aufweisen, zwischen denen jeweils eine Elektrode der Entla­ dungslampe (14) angeschlossen ist,
einem Regler (16), der das Schaltglied (T _s ) so steuert, daß der vom Stromfühler (I) festge­ stellte Strom im wesentlichen konstant ist, und
einem Steuerwerk (15) zum Betrieb der elek­ tronischen Schalter (T ₁ bis T ₄) in der Weise, daß bei gezündeter Entladungslampe jeweils zwei dia­ gonal gegenüberliegende elektronische Schalter geöffnet und die beiden anderen elektronischen Schalter gesperrt sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Entladungslampe (14) eine Leucht­ stofflampe ist, deren heizbare Elektroden (14 ₁, 14 ₂ ) jeweils zwischen die elektronischen Schalter (T ₁, T ₃ bzw. T ₂, T ₄) eines Schaltungszwei­ ges (12 bzw. 13) geschaltet sind,
daß zum Aufheizen der Elektroden (14 ₁, 14 ₂) in einer Vorheizphase (VH) alle vier elektronische Schalter (T ₁ bis T ₄) in den leitenden Zustand ge­ steuert werden und daß nach Ablauf der Vorheiz­ phase zwei diagonal gegenüberliegende elektroni­ sche Schalter ein- oder mehrmal gesperrt werden, um die Leuchtstofflampe zu zünden,
daß das Steuerwerk (15) die elektronischen Schalter (T ₁ bis T ₄) im Anschluß an das Zünden in einer Wechselstromphase (WP) derart steuert, daß die Leuchtstofflampe mit einer oberhalb von 50 Hz liegenden Frequenz umgepolt wird,
und daß im Anschluß an die Wechselstromphase (WP) ein Gleichstrombetrieb der Leuchtstofflampe erfolgt, bei dem Umpolungen mit einer unterhalb von 10 mHz liegenden Frequenz durchgeführt werden.

2. Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wechselstromphase (WP) eine festgelegte Dauer von etwa 1 min hat.

3. Vorschaltgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Umpolung in der Wechselstromphase (WP) zwischen 50 Hz und 100 kHz liegt.