DE3711814A1 - Elektronisches vorschaltgeraet zum betrieb von leuchtstofflampen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Vorschaltgerät zum Betrieb von Leuchtstofflampen. Ein derartiges Gerät enthält eine Gleichrichterschaltung, an der die Netzwechselspannung angelegt wird. In einem Zerhackerkreis wird die Ausgleichsspannung der Gleichrichterschaltung mit einer im Vergleich zur Netzspannung wesentlich höheren Frequenz in eine Impulsfolge zerhackt, die über eine strombegrenzende Vorrichtung an die einen Enden der beiden Lampenelektroden angelegt wird, deren jeweils andere Enden mit einem Zündkreis verbunden sind.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild einer derartigen bekannten Schaltung, wie sie beispielsweise realisiert ist in "Elektronikschaltungen", Walter Hirschmann; Berlin, München; Siemens AG; 1982, 147-148.

Gemäß Fig. 1 wird die Netzspannung mit üblicherweise 228 V_eff 50 Hz an ein Filter angelegt, dessen Ausgang mit einer Gleichrichter-/Siebschaltung verbunden ist, an deren Ausgang beispielsweise 320 V Gleichspannung anstehen, die an einen üblichen Startkreis gelegt werden, der diese Gleichspannung zu einem Zerhacker durchschaltet, der eine Impulsfolge mit einer beispielsweisen Frequenz zwischen 1 kHz und 1 MHz und einer Amplitude von 310 V_SS abgibt. Diese Impulsfolge wird über eine Strombegrenzungsdrossel an die einen Enden der beiden Lampenelektroden der Leuchstofflampe angelegt, deren beide anderen Enden mit einem Zündkreis verbunden sind, der beispielsweise einen Kondensator von einigen nF aufweist.

Je nach Bauform und Gasfüllung haben Leuchtstofflampen Lampenbrennspannungen zwischen 30 und 150 V_eff. Je nach Kurvenform ist die Spitze-Spitze Spannung der zum Betrieb der Leuchtstofflampe verwendeten Hochfrequenzwechselspannung U _L etwa um einen Faktor 3 höher als die Lampenbrennspannung, d. h. bei Werten zwischen 90 und 450 V_SS. Bei den bekannten Schaltungen gemäß Fig. 1 muß die Netzspannung für den Lampenkreis stets höher als die maximale Lampenbrennspannung sein.

Probleme ergeben sich dabei bei sogenannten Mittelvoltnetzen von beispielsweise 100 oder 120 V_eff, da dann nur eine gesiebte Gleichspannung von ca. 130 bzw. 160 V zur Verfügung steht. Nach dem Zerhacken können damit nur Leuchtstofflampen mit einer niedrigen Lampenbrennspannung beispielsweise kleiner als 100 V_SS mit einer strombegrenzenden Drossel ohne weitere Maßnahmen betrieben werden. Nur dann ist die Netzspannung noch etwas höher als die Lampenbrennspannung.

Wegen der negativen Impedanzcharakteristik von Leuchtstofflampen ergibt sich bereits dann, wenn die Lampenbrennspannung U _LSS nur wenig unter der zerhackten Gleichspannung U _SS liegt, ein instabiler Betrieb, da nur eine strombegrenzende Drossel mit sehr kleiner Induktivität verwendet werden kann. Lampen mit Lampenbrennspannungen, die höher sind als die Netzspannung, also mit Lampenbrennspannungen von beispielsweise 120 bis 450 V_SS, lassen sich mit der einfachen Strombegrenzung mittels einer Drossel überhaupt nicht betreiben.

Es ist zwar möglich, die Gleichspannung durch eine Spannungsverdoppler-Gleichrichterschaltung heraufzusetzen, wie sie als Villard- oder Delon-Schaltung bekannt ist, (vergleiche "Bauelemente der Elektronik und ihre Grundschaltungen", Böser, Kähler, Weigt, 7. Auflage, S. 220). Hierbei muß jedoch die Kapazität der beiden verwendeten Elektrolytkondensatoren verdoppelt werden oder es erhöht sich die 50- oder 100 Hz- Brummspannung, d. h., daß sich die Lichtstrommodulation erhöht.

Andererseits besteht die Möglichkeit, die zerhackte Rechteckspannung mittels eines Transformators zu erhöhen, wie dies beispielsweise im vorgenannten Buch "Elektronikschaltungen" von W. Hirschmann, S. 144, gezeigt ist. Der Nachteil dabei ist, daß ein weiteres bewickeltes Bauelement mit entsprechend höheren Kosten verwendet werden muß und zusätzliche Verluste auftreten, so daß sich eine niedrige Systemlichtausbeute ergibt.

Bereits aus der US-PS 45 44 863 ist ein Vorschaltgerät für Leuchtstofflampen bekannt, in welchem die anliegende Netzspannung mit vergleichsweise niedriger Frequenz in eine zum Betrieb geeignete hochfrequente Spannung umgewandelt wird. Diese hochfrequente Spannung wird an die Leuchtstofflampe über eine Spule und einen Kondensator, welche in Serie geschaltet sind, angelegt. Allerdings arbeitet diese vorbekannte Schaltung mit einem fremdgesteuerten Schwingungserzeuger, was eine genaue Dimensionierung der Bauteile des Vorschaltgerätes bedingt und woraus eine unflexible Schaltung resultiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein in Selbsterregung arbeitendes und somit flexibles elektronisches Vorschaltgerät zum Betrieb von Leuchtstofflampen anzugeben, bei dem mit einfachsten Mitteln die Versorgungsspannung für den Lampenkreis derart erhöht werden kann, daß sich ein zufriedenstellender Betrieb ergibt. Insbesondere können auf diese Weise Lampen mit höherer Lampenbrennspannung aus Mittelvoltnetzen mit besten Ergebnissen betrieben werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die am Ausgang der Strombegrenzungsschaltung anstehende Spannung vor dem Anlegen an die Leuchtstofflampe erhöht wird. Diese Spannungserhöhung erfolgt gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltung unter Verwendung eines LC-Resonanzkreises, wobei die Leuchtstofflampe parallel zu dem Kondensator des Resonanzkreises liegt. Andere bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgerätes ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Vorschaltgeräte ermöglicht infolge der Selbsterregung eine automatische Anpassung, wodurch in gegenüber dem Stand der Technik vorteilhafter Weise ein Vorschaltgerät mittels einer geringeren Anzahl von Bauelementen, bei denen keine genaue Dimensionierung notwendig ist, zur Verfügung gestellt werden kann. Dadurch resultiert ein robusteres und kostengünstiger herzustellendes Gerät.

Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgerätes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines bekannten elektronischen Vorschaltgerätes,

Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Erläuterung des Prinzips eines erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgeräts,

Fig. 3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts.

Fig. 4 eine konkrete Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes Vorschaltgerät mit einem nicht näher dargestellten Triggerkreis sowie einem ebenfalls nicht näher dargestellten Zündkreis und

Fig. 5 die Ausführungsform gemäß Fig. 4 mit konkret ausgeführtem Triggerkreis und Zündkreis.

Fig. 2 zeigt den lampennahen Teil eines erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgeräts gemäß einer ersten Ausführungsform. Am Eingang des Zerhackerkreises 18 liegt eine gesiebte Gleichspannung U _G von 100 bis 160 V an, die von einer Mittelvolt- Netzwechselspannung zwischen 75 und 120 V_eff durch Gleichrichtung und Siebung abgeleitet wurde. Der Zerhackerkreis 18 gibt eine Rechteckimpulsfolge mit einer Spannung U _SS zwischen 100 und 160 V_SS an eine Strombegrenzungsschaltung 20, bevorzugt eine Drossel, ab, an deren Ausgang die veränderte Impulsfolge U _L auftritt, die bei der bekannten Anordnung an die Lampe 26 angelegt wird. Erfindungsgemäß wird jedoch zwischen die Strombegrenzungsschaltung 20 und die Lampe 26 eine Spannungserhöhungschaltung 30 eingefügt, an deren beiden Eingängen die Spannung U _L angelegt wird, während ihre beiden Ausgänge mit den einen Enden 22 bzw. 24 der Lampe 26 verbunden sind. An der Lampe liegt somit eine für den Betrieb der Lampe ausreichende erhöhte Lampenversorgungsspannung U _L ′ an. Wie bei dem bekannten Vorschaltgerät sind die anderen Enden der beiden Lampenelektroden 22, 24 an einen Zündkreis 28 gelegt.

Fig. 3 zeigt im einzelnen den sehr einfachen Aufbau der Spannungserhöhungsschaltung, die lediglich darin besteht, daß zu der bereits für die Strombegrenzung vorhandenen Drossel 32 mit einer Induktivität L _Dr von beispielsweise 1,7 mH zur Bildung eines Resonanzkreises ein Kondensator 34 mit einer Kapazität C _R von beispielsweise 3.3 nF zugeschaltet wird. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der Kondensator 34 eingangsseitig an der Lampenelektrode 24 der Lampe 26 angeschlossen, während die Lampenelektrode 22 mit der Primärwicklung des Ansteuertransformators 38 verbunden ist. Der Kondensator 34 ist dabei an den Verbindungspunkt 42 zwischen einer Drossel 32 und der Primärwicklung des Ansteuertransformators 38 angeschlossen.

Fig. 3 zeigt ferner wiederum einen Zerhackerkreis 18, dessen einer Ausgang mit dem einen Anschluß des Kondensators 34 und dem einen Ende der Lampenelektrode 24 verbunden ist, während sein anderer Ausgang über einen Trennkondensator 36 mit der Drossel 32 in Verbindung steht.

Durch die Anordnung des Reihenresonanzkreises 32, 34 und des Ansteuertransformators 38 wird in der hier gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektronischen Schaltgeräts für den Zerhackerkreis 18 über den Ansteuertransformator 38 ein entsprechendes Rückkopplungssignal gewonnen.

Bei Lampenabschaltung oder -ausfall wird die Rückkopplungsfunktion des Ansteuertransformators 38 unterbrochen und der Zerhackerkreis 18 wird abgeschaltet. Das bedeutet, daß sich das elektronische Vorschaltgerät automatisch abschaltet, wenn die Lampe fehlt oder defekt ist, zum Beispiel ein Wendelbruch auftritt.

Das erfindungsgemäße elektronische Vorschaltgerät nach Fig. 3 arbeitet wie folgt:

Die Arbeitsfrequenz des Vorschaltgerätes bzw. deren Vielfache liegen in der Nähe der oder auf der Grundresonanzfrequenz des Reihenresonanzkreises:

Der Resonanzkreis enthält abhängig von seiner Dimensionierung eine bestimmten Energie W, und zwar abwechselnd im elektrischen und im magnetischen Feld.

Für die Spannung am Kondensator 34, d. h. am Eingang der Lampe 26 gilt

Dabei ist die Höhe der Spannung am Kondensator 34 abhängig von der Zerhackerausgangsspannung U _SS und dem Verhältnis L _Dr /C _r .

Es zeigt sich somit, daß die Lampe 26 problemlos mit einer Versorgungsspannung U _L ′ gespeist werden kann, die höher als jede Lampenbrennspannung ist.

Die zur Zündung der Leuchtstofflampe 26 erforderliche, noch höhere Spannung ist ebenfalls leicht erreichbar: Hat der Zündkreis kapazitiven Charakter, dann ergibt sich aufgrund der Parallelschaltung der beiden Kondensatoren eine erhöhte Kapazität C = C _R + C _Z und damit eine entsprechend niedrigere zweite Resonanzfrequenz. Nach der Zündung wird der Resonanzkreis 32, 34 durch die Lampenersatzimpedanz bedämpft und die Spannung am Kondensator 34 durch die Lampenparameter bestimmt, wobei die Güte des Resonanzkreises 32, 34 automatisch auf den gewünschten Wert abfällt.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts, in der der Trennkondensator 36 zwischen die Lampenelektrode 22 und den Ansteuertransformator 38 gelegt ist. Anhand dieses Ausführungsbeispiels sind auch die Bauteile der zuvor nur in Blockschaltbild dargestellten Schaltungsteile ausgeführt. Es handelt sich um eine freischwingende Gegentakt-Halbrückenschaltung mit zwei bipolaren Schalttransistoren. C 1 und FeDr dienen zur Funkentstörung. Durch Gleichrichtung und Siebung wird aus der Netzspannung eine Gleichspannung von ca 160 V zur Versorgung der Halbbrücke erzeugt. Der Triggerkreis 16 startet den Schwingvorgang der Gegentaktstufe durch einen einmaligen Puls. Am Mittelpunkt der Transistoren T 1 und T 2 entsteht eine nahezu rechteckförmige Hochfrequenzspannung von 160 V_SS gegenüber dem Plus- bzw. dem Minus-Pol. Die entstehende Frequenz richtet sich nach dem Zustand des Lastkreises.

Im Anlaufbetrieb entsteht eine Serienresonanz aus der Drossel 32 mit L 1 und der Parallelschaltung aus dem Kondensator 34 mit C _res und dem kapazitiven Anteil des Zündkreises 28. Diese Kapazität beträgt beispielsweise 6 nF. In Serie dazu liegt der Gleichspannungstrennkondensator 36 mit der Kapazität C 6 von 47 nF. Da die Kapazität C 6 des Gleichspannungstrennkondensators mit 47 nF vergleichsweise groß ist, beträgt die resultierende Kapazität nach wie vor ca. 6 nF. Weiter in Serie zum Zündkreis 28 liegt die Primärwicklung RK 1 a des Ansteuertransformators 38 und die Elektrode 22 der Leuchtstofflampe 26. Der Ansteuertransformator 38 steuert über seine Sekundärwicklungen RK 1 b und RK 1 c je eine Halbbrücke und sorgt so für eine Aufrechterhaltung der stationären Schwingung. Der oben beschriebene Resonanzkreis wird nur durch die Elektrode in einem Zweig schwach bedämpft. Daher ergibt sich, wie zuvor schon erläutert, eine Arbeitsfrequenz automatisch sehr nahe bei der Grundresonanzfrequenz des Reihenresonanzkreises.

In der zweiten Phase verkleinert sich der kapazitive Anteil des Zündkreises auf ca. 3 nF. Dadurch nimmt der Heizstrom und somit gleichzeitig die Dämpfung ab. Das ergibt eine deutliche Erhöhung der Kreisgüte und vor allem der Spannung an der Lampe. Dieser Vorgang verstärkt sich, bis die Zündspannung der Leuchtstofflampe 26, die zuvor optimal vorgeheizt ist, erreicht wird und die Bogenentladung einsetzt. In diesem Moment wird die höchste Frequenz erzeugt.

Im Betrieb wird der Resonanzkreis durch die relativ niederohmige Bogenentlandung bedämpft. Die Frequenz ist deutlich niedriger als die Resonanzfrequenz. Dennoch ist die Wirkung des Resonanzkreises stark genug, um eine Leuchtstoofflampe betreiben zu können, deren Spitzenbrennspannung deutlich über der Versorgungsspannung liegt. Das ist im rein induktiven Betrieb nicht möglich.

Zur Erzeugung dieses bedämpften Resonanzbetriebs ist also neben der schon vorhandenen Strombegrenzungsdrossel 32 nur ein Kondensator 34 notwendig. Entscheidend ist es, daß sich die Frequenz in der beschriebenen freischwingenden Schaltung automatisch den Erfordernissen anpaßt. Im Vorheizbetrieb steigt die Frequenz von ca. 40 kHz kontinuierlich bis zum Erreichen der Zündspannung bei etwa 50 kHz, um dann im Betrieb auf 35 kHz abzufallen.

Um zu verhindern, daß bei Ausfall der Leuchtstofflampe 26 die Schaltung in einem unbedämpften Resonanzbetrieb fällt, der durch hohe Leistungsaufnahme den Schwinger zerstört, muß, wie in dem ersten Ausführungsbeispiel schon erläutert, eine Abschaltung vorgesehen werden. Das wird auch hier dadurch erreicht, daß die Primärwindung des Ansteuertransformators 36 nur von Lampen- und Heizstrom durchflossen wird. Auch in dieser Ausführungsform wird die Primärwicklung RK 1 a also hinter die Verzweigung des Kondensators 34 gelegt. Somit ist auch in dieser Ausführungsform beim Lampenausfall keine Rückkopplung der Schwingung vorhanden, so daß der Generator in einem sicheren Zustand stoppt.

Die Fig. 5 entspricht dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4, wobei jedoch ein konkret ausgeführter Triggerkreis und ein konkret ausgeführter Zündkreis angegeben sind. Die Ausführung des Triggerkreises entspricht der Literaturstelle "Elektronikschaltungen" von W. Hirschmann auf den Seiten 148 bzw. 150 und die konkrete Ausführung des Starterkreises entspricht der DE-OS 34 41 992.

Claims (7)

1. Elektronisches Vorschaltgerät zum Betrieb von Leuchtstofflampen mit einer Gleichrichterschaltung für eine Netzwechselspannung und einem Zerhackerkreis, der die gleichgerichtete Spannung mit einer im Vergleich zur Netzspannung erheblich höheren Frequenz in eine Impulsfolge zerhackt, die über eine strombegrenzende Vorrichtung an die einen Enden der beiden Lampenelektroden gelegt wird, deren andere Enden mit einem Zündkreis verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die strombegrenzende Vorrichtung (20) und die Lampenelektroden (22, 24) eine Spannungserhöhungsschaltung (30; 32; 34) eingefügt ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungserhöhungsschaltung aus einem LC- Resonanzkreis besteht.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis ein Reihenresonanzkreis ist.

4. Gerät nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (34) des LC-Resonanzkreises über die eingangseitigen Enden der Lampenelektroden (22, 24) gelegt ist.

5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität des LC-Resonanzkreises eine als strombegrenzenden Vorrichtung verwendete Drossel (32) ist.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (32) in Reihe mit einem Rückkopplungsansteuerungstransformator (38) für den Zerhackerkreis (18) geschaltet ist.

7. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Drossel (32) verbundene Anschluß (42) des Kondensators (34) über den Rückkopplungsansteuertransformator (38) mit einem eingangsseitigen Ende der Elektrode (22) der Leuchtstofflampe (26) verbunden ist, während sein anderer Anschluß direkt an dem anderen eingangsseitigen Ende der Elektrode (24) anliegt, das mit dem einen Ausgang des Zerhackerkreises (18) verbunden ist, wobei der freie Anschluß der Drossel (32) am anderen Ausgang des Zerhackerkreises (18) angeschlossen ist.