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Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Beaufschlagen von
Leuchtstofflampen.
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Leuchtstoff- oder Entladungslampen gibt es schon seit
Jahrzehnten. Während dieser Zeit wurde eine beträchtliche
Anstrengung darauf gerichtet und wurden bedeutsame Geldbeträge
dafür aufgewendet, derartige Lampen und die Systeme zum
Beaufschlagen der Lampen heiter zu entwickeln. Trotz solcher
beträchtlicher Aufwendungen an Leistung und Geld sind die
gegenwärtig zum Beaufschlagen von Leuchtstofflampen benutzten
Systeme relativ wirkungsschwach. Die Leuchtstofflampen
erzeugen auch eine flackernde Lichtabgabe und besitzen eine
relativ begrenzte Lebensdauer. Es ist auch seither schwierig,
eine gesteuerte Lichtenergiegröße in den Lampen zu erzeugen.
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US-A-4 373 146 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer
Hochintensitäts-Entladungslampe durch Frequenzmodulation
einer Trägerwellenform im Kilohertzbereich zur Schaffung
eines Wechselspannungs-Ausgangssignals variabler Frequenz
und zum Anlegen des Wechselspannungs-Ausgangssignals an die
Elektroden der Lampe, um dadurch die Lampe in einer Weise zu
betreiben, die akustische Resonanzwirkungen innerhalb der
Entladungslampe gering hält oder vermeidet. Eine Schaltung
zum Ausführen dieses Verfahrens enthält einen Wandler mit
einem ersten Eingang, der durch eine Gleichstromquelle
geschaffen ist, und einen Ansteuereingang, der mit einem
Rechteckwellenträger-Generator gekoppelt ist, der durch einen
Lampengenerator frequenzmoduliert wird. Die sich ergebende
Wechselstrom-Ausgangsspannung mit variabler Frequenz vom Wandler
wird dann an die Lampenelektroden angelegt.
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Es ist das Ziel der Erfindung, eine Einrichtung zum
Beaufschlagen einer Leuchtstofflampe zu schaffen, die einen
minimalen Leistungsverlust in der Leuchtstofflampe schafft, eine
im wesentlichen konstante Beleuchtung der Leuchtstofflampe
ohne Lichtflackern ergibt und für eine lange Lebensdauer der
Leuchtstofflampe sorgt.
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Dieses Ziel wird erreicht durch die in Anspruch 1
beanspruchten Merkmale.
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Bei einer Ausführung der Erfindung wird eine Fluoreszenz-
oder Leuchtstofflampe (bei der die Heizwicklungen
kurzgeschlossen sein können oder nicht) mit einem im wesentlichen
konstanten Strom beaufschlagt. Die Richtung des im
wesentlichen konstanten Stroms wird jedoch periodisch geändert. Die
Größe des im wesentlichen konstanten Stroms kann verändert
werden durch Verändern der Einstellung eines Steuergliedes.
Beispielsweise kann der bewegbare Abgriff eines
Potentiometers verstellt werden. Das Potentiometer kann in einer
optisch gekoppelten Schaltung enthalten sein, um abgetrennte
Steuerung für den im wesentlichen konstanten Strom zu
schaffen, wenn die Position des bewegbaren Abgriffs geändert
wird. Die Bewegung des bewegbaren Abgriffs des
Potentiometers läßt die Breite der Ausgangsimpulse von einem
Impulsbreitenmodulator entsprechend verändern.
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Während der Erzeugung des Ausgangsimpulses von dem
Impulsbreitenmodulator wird ein Schalter (z.B. ein
Feldeffekttransistor) geschlossen, so daß der Strom von einer
gleichgerichteten Wechselspannung(squelle) zu einem Energiespeicherteil
wie einer Spule fliegen kann. Die Spule kann mit dem
Mittenabgriff eines Autotransformators verbunden sein, um die
gespeicherte Energie während der Zeit, in der der Schalter
geöffnet ist, in den Autotransformator einzuführen. Der
Autotransformator ist auch an gegen den Mittenabgriff versetzten
Stellen mit Schaltern verbunden, die abwechselnd mit
zunehmenden
Zeitlängen geschlossen werden, um die Stromrichtung
des Stromes durch die Leuchtstofflampe zu ändern.
In der Zeichnung zeigen:
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Fig. 1a und 1b teilweise in Blockform ausgeführte
Schaubilder, die zusammen ein System bezeichnen, das eine
Ausführung der Erfindung zur Erzeugung eines im wesentlichen
konstanten Stromes durch eine Leuchtstofflampe zum
Beaufschlagen der Lampe bildet;
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Fig. 2 ein Schaltbild, das schematisch zusätzliche
Merkmale der Schaltung des Anmelders zum Beaufschlagen von
Leuchtstofflampen mit Bezug auf die Schaltung zum
Beaufschlagen der Leuchtstofflampen nach dem Stand der Technik
darstellt;
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Fig. 3 eine Kurve, welche die Beziehung zwischen
Spannung und Strom in der Schaltung nach dem Stand der
Technik Zum Beaufschlagen einer Leuchtstofflampe darstellt und
in der Schaltung nach dieser Erfindung darstellt; und
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Fig. 4 Wellenformen von Signalen, die an
strategischen Klemmen in der in Fig. 1a und 1b gezeigten Schaltung
hergestellt werden.
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Bei einer Ausführung der Erfindung ist eine Spannungsquelle
10 (Fig. 1a) ausgelegt, eine Wechselspannung von einer
üblichen-Quelle wie einem Netzanschluß zu schaffen. Die
Wechselspannung kann in der Größenordnung von 115 V liegen. Die
Wechselspannung wird durch eine Stufe 12 gleichgerichtet und
die gleichgerichtete Spannung in ein Paar paralleler
Kondensatoren 14 und 16 eingeleitet, um Welligkeit in der
gleichgerichteten Spannung möglichst gering zu halten.
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Ein Schalter, wie er durch die Source- und Drain-Elektroden
eines Feldeffekttransistors 22 gebildet wird, ist zwischen
den Kondensatoren 14 und 16 und der Verbindung zwischen
einer Diode 54 und einer Spule 56 angeschlossen. Eine
Wicklung 26 ist ebenfalls zwischen dem Gate und der Source des
Feldeffekttransistors 22 angeschlossen. Die Wicklung 26 ist
magnetisch, z.B. durch einen Ferritkern, mit einer Wicklung
28 gekoppelt, die einen Mittenabgriff 30 besitzt. Die
Windungszahl der Wicklung 28 kann größer als die Windungszahl
der Wicklung 26 sein.
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Der Mittenabgriff 30 der Wicklung 28 erhält die
Ausgangssignale von einem Impulsbreitenmodulator 34. Die Signale
werden an die Eingangsklemme eines Impulsbreitenmodulators
34 von einem optischen Koppler 31 und von einem
Erfassungswiderstand 48 aus angelegt. Das Ausgangssignal des optischen
Kopplers 31 wird durch die Stellung eines Abgriffs in einem
Potentiometer 52 gesteuert, das durch eine Quelle wie eine
Batterie 32 oder eine externe Versorgungsquelle beaufschlagt
wird. Der optische Koppler 31 kann in einer nach dem Stand
der Technik üblichen Weise aufgebaut sein.
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Die Anode der Diode 54 ist mit zweiten Klemmen der
Kondensatoren 14 und 16 zusammengelegt. Die Katode der Diode 54 ist
auch mit einer Klemme einer Spule 56 (Fig. 1a und 1b)
verbunden, die einen Ferritkern besitzt. Die zweite Klemme der
Spule 56 ist gemeinsam mit dem Mittenabgriff eines
Autotransformators 58 (Fig. 1b), der einen Ferritkern besitzt. Eine
in üblicher Weise aufgebaute Leuchtstofflampe 60 ist
zwischen den Endklemmen des Autotransformators 58
angeschlossen. Die Schaltung kann Wicklungen 57 besitzen, die mit den
Heizspulen 59 in der Leuchtstofflampe 60 verbunden sind,
oder nicht. Die Wicklungen 57 können mit der Wicklung 58
magnetisch gekoppelt sein.
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Bei dem Autotransformator 58 können zwischen dem
Mittenabgriff und den Endklemmen des Autotransformators Klemmen 61
und 62 vorgesehen sein. Schalter, wie sie durch die Source-
und Drain-Elektroden eines Feldeffekttransistors 64 und die
Source- und Drain-Elektroden eines Feldeffekttransistors 66
bestimmt sind, sind jeweils zwischen den Zwischenklemmen 61
und 62 und einem Referenzpotential wie einem Masseanschluß
47 angeschlossen. Ein Kondensator 68 und ein Widerstand 70
liegen in Reihe zwischen dem Mittenabgriff des
Autotransformators 58 und dem Referenzpotential wie der Masse 47.
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Das Gate des Feldeffekttransistors 64 liegt gemeinsam mit
den Emittern von einem Paar von Transistoren 70 (NPN) und 72
(PNP). Der Kollektor des Transistors 70 erhält von dem
Gleichrichter 12 eine positive Spannung. Die Basisanschlüsse
der Transistoren 70 und 72 sind mit der Ausgangsklemme eines
Inverters 74 verbunden. Der Kollektor des Transistors 72
erhält das Referenzpotential wie Masse 47.
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Der Ausgang eines Verstärkers 76 wird zu dem Eingang des
Wandler s74 geführt. Die Eingangsklemme des Verstärkers 76
liegt gemeinsam mit einer Klemme eines Kondensators 78,
dessen andere Klemme das Referenzpotential, beispielsweise
die Masse 47, erhält. Ein Widerstand 80 ist zwischen der
Eingangsklemme des Verstärkers 76 und der Ausgangsklemme des
Wandlers 74 angeschlossen.
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Der Ausgang des Wandlers 74 wird zu einem Verstärker 82
geführt, und der Ausgang des Verstärkers wird wiederum wie bei
84 invertiert. Der Ausgang des Invertiergliedes 84 wird an
die Basiselektroden eines Transistors 86 (NPN) und eines
Transistors 88 (PNP) angelegt. Der Kollektor des Transistors
88 ist gemeinsam mit dem Referenzpotential wie der Masse 47.
Die Emitter der Transistoren 86 und 88 sind mit dem Gate des
Feldeffekttransistors 66 verbunden. Der Kollektor des
Transistors 86 erhält eine positive Spannung vom Gleichrichter 12.
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Die Wechselspannung von der Quelle 10 wird in eine
Gleichspannung gewandelt durch den Gleichrichter 12, und diese
Gleichspannung wird durch die Kondensatoren 14 und 16 zur
Geringhaltung der Welligkeit geglättet. Diese Spannung wird an
den Drain des Feldeffekttransistors 22 gelegt. Wenn der
Feldeffekttransistor 22 leitend ist, fließt Strom durch den
Transistor, die Spule 56 (Fig. 1a und 1b), den Autotransformator
58 (Fig. 1b), einen der Feldeffekttransistoren 64 oder 66
und den Widerstand 48 (Fig. 1a und 1b). Dieser Strom ist in
Fig. 4 mit 100 bezeichnet. Dieser Strom läßt Energie in die
Spule 56 einspeichern. Die Größe des Stromes hängt von dem
Ausgangssignal vom optischen Koppler 31 ab. Wie vorher
beschrieben, wird das Ausgangssignal vom optischen Koppler 31
durch eine externe Einstellung des bewegbaren Arms des
Potentiometers 52 gesteuert.
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Es sei nun angenommen, daß die Position des bewegbaren Arms
am Potentiometer 52 geändert wird. Das läßt das
Ausgangssignal des optischen Kopplers 31 ändern, wodurch sich das
Ausgangssignal des Impulsbreitenmodulators 34 ändert beim
Ansteuern des Feldeffekttransistors 22. Die Anderung des
Ausgangssignals des Impulsbreitenmodulators 34 ist in Fig. 4
gestrichelt bei 102 dargestellt. Während der Erzeugung des
Signals 102 wird eine Spannung zum Feldeffekttransistor 22
eingeleitet, um diesen Transistor leitend zu machen.
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Wenn sich die periodische Zeitlänge für den Stromfluß durch
den den Transistor 22 ändert, ändert sich auch das Ausmaß
der in der Spule 56 gespeicherten Energie. Während des
Zeitraums, in dem der Feldeffekttransistor 22 nichtleitend ist,
wird diese Energie entladen durch einen Kreis, der die Spule
56, den Autotransformator 58, einen der
Feldeffekttransistoren 64 und 66, den Widerstand 48 (Fig. 1a und 1b) und die
Diode 54 (Fig. 1a und 1b) enthält. Damit verursacht die
Änderung der Energiegröße in der Spule 56 die Erzeugung einer
entsprechenden Anderung der Spannung im Widerstand 48.
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Die vorstehend diskutierte Schaltung wirkt in der Praxis als
ein Servosystem. Wenn eine Änderung in der Positionierung
des bewegbaren Abgriffs des Potentiometers 52 vorgenommen
wird, wird eine entsprechende Änderung im Durchschnittswert
des Stroms im Widerstand 48 erzeugt. Auf diese Weise wird
die Dauer der periodischen Impulse 100 vom
Impulsbreitenmodulator 34 (wie bei 102 bezeichnet) auf einen Pegel
eingestellt, der für die Positionierung des bewegbaren Abgriffs
am Potentiometer 52 repräsentativ ist. Das läßt den durch
den Autotransformator 58 fließenden Strom auf einen Wert
einstellen, der für die Positionierung des bewegbaren Abgriffs
des Potentiometers 52 bezeichnend ist.
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Die Stromrichtung des im wesentlichen konstanten Stromes
durch den Autotransformator 58 wird durch die in Fig. 1b
gezeigte Schaltung gesteuert. Diese Schaltung enthält den
Verstärker 76, den Inverter 74, den Widerstand 80 und den
Kondensator 78. Diese Schaltung wirkt als ein Schmidt-Trigger
in üblicher Weise zur Erzeugung von abwechselnd positiven
und negativen Impulsen am Ausgang des Inverters 74. Die
abwechselnd positiven und negativen Impulse werden durch
abwechselndes Aufladen des Kondensators 78 auf einen Pegel
erzeugt, der den Verstärker 76 leitend werden läßt, und
darauffolgendes Entladen des Kondensators durch den Verstärker.
Die positiven Impulse von dem Inverter 74 gehen durch die
Transistoren 72 und 70 durch, die im wesentlichen einen
Verstärkungsfaktor 1:1 der Signale vom Inverter schaffen und
den Verstärker 76 und den Inverter 74 von dem
Feldeffekttransistor 64 isolieren. Diese Impulse lassen den Transistor 64
leitend werden.
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Wenn der Transistor 64 leitend wird, fließt ein Strom durch
eine Schaltung, die den Autotransformator 58, den
Transistor, den Widerstand 70 und den Kondensator 68 enthält.
Dieser Strom wird wegen der Spannung über der Spule 56
erzeugt. Dieser Strom erzeugt eine Spannung zwischen dem
Mittenabgriff und der Zwischenklemme 61 des Autotransformators
58. Diese Spannung wird über den Autotransformator
aufwärtstransformiert und diese aufwärtstransformierte Spannung wird
an die Leuchtstofflampe 60 angelegt, um hier einen Stromfluß
in Fig. 1b nach links zu erzeugen. Dieser Strom ist im
wesentlichen konstant und ist gegenüber dem durch den
Transistor 64 fließenden Strom wegen der über den
Autotransformator 58 erzeugten aufwärtstransformierten Spannung reduziert.
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Während der Zeit, in der der Inverter 74 eine niedrige
Spannung erzeugt, erzeugt der Inverter 84 eine hohe Spannung.
Diese Spannung wird durch die isolierenden Transistoren 88
und 86, welche dieselben Funktionen wie die Transistoren 72
und 70 ausüben, an den Transistor 66 angelegt, um den
Transistor 66 leitend werden zu lassen. Der Strom fließt dann
durch eine Schaltung, welche den Autotransformator 58
zwischen dem Mittenabgriff und der Zwischenklemme 62 des
Autotransformators 58 den Transistor 66, den Widerstand 70 und
den Kondensator 68 enthält. Dieser Strom geht in einer
entgegengesetzten Richtung zu dem bei leitendem Transistor 64 in
dem Autotransformator 58 erzeugten Strom. Dieser Strom
erzeugt in dem Autotransformator 58 eine
aufwärtstransformierte Spannung, die einen im wesentlichen konstanten Strom
durch die Leuchtstofflampe 60 fließen läßt. Dieser Strom
besitzt eine Richtung entgegengesetzt zu der Stromrichtung in
der Leuchtstofflampe, wenn der Transistor 64 leitend ist.
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Die vorstehend beschriebene Erfindung besitzt gewisse
wichtige Vorteile. Sie läßt einen im wesentlichen konstanten Strom
durch die Leuchtstofflampe fließen, der genau gesteuert
werden kann. Da der Strom im wesentlichen konstant ist,
erzeugt die Leuchtstofflampe flackerfreies Licht. Obwohl der
Strom durch die Leuchtstofflampe im wesentlichen konstant
ist, wird die Richtung des Stromes durch die Lampe
periodisch geändert. Das verbessert die Lebensdauer der Lampe
beträchtlich.
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Die Leistungsverluste in der in dem erfindungsgemäßen System
enthaltenen Leuchtstofflampe 60 sind relativ niedrig. Das
ergibt sich aus der Tatsache, daß die Leuchtstofflampe 60
auch dann mit einem im wesentlichen konstanten Pegel
beaufschlagt wird, wenn der Stromfluß durch die Lampe periodisch
geändert wird. Das stellt sicher, daß in der Lampe konstant
Ionen erregt werden. Die Leistungsverluste in der
Leuchtstofflampe sind aber noch aus einem anderen Grund relativ
niedrig. Das ergibt sich aus der Tatsache, dar die
Heizspulen 59 an den einander entgegengesetzten Enden der Lampe
elektrisch kurzgeschlossen werden können. Das ist in Fig. 2
dargestellt. Das steht im Gegensatz zum Stand der Technik,
der Strom durch die Heizspulen 59 fließen läßt, um die
Spulen zu heizen. Wie anerkannt werden wird, ergibt ein
derartiger Heizstrom einen beträchtlichen Leistungsverlust.
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Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Spannung und dem
Strom in den Leuchtstofflampen nach dem Stand der Technik.
Wie in Fig. 3 bei 112 zu sehen, muß zum Anregen der Lampe
eine Spannung mit einer Höhe von eintausend Volt (1000 V)
über die Leuchtstofflampe angelegt werden. Wenn die Lampen
angeregt sind, reicht eine Spannung in der Größenordnung von
einhundertzwanzig Volt (120 V) aus, um die Lampe angeregt zu
erhalten und fortschreitende Strommengen in der Lampe
hervorzurufen.
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Bei dem Stand der Technik ändert sich der Strom von "Null"
bis zu einigen hundert mA mit einer Rate von 120 Wechseln
pro Sekunde, je einem bei jedem Gipfel der positiven und
negativen Zyklen der 60 Hz-Welle. Dadurch ergibt sich, daß die
Leuchtstofflampe in jedem Halbzyklus der
Beaufschlagungsspannung entregt wird und in jedem solchem Halbzyklus wieder
angeregt werden muß. Das erfordert das Anlegen einer Spannung
von ca. eintausend (1000 V) bei jedem Halbzyklus der
Wechselspannung. Diese Spannung wird von dem Vorschaltgerät der
Lampe erhalten. Sie läßt in den Leuchtstofflampen bei dem
Stand der Technik pulsierende Ströme entstehen, wie bei 120
bezeichnet, wenn ein Sinuswellen-Signal 122 in die Lampen
eingeführt wird. Eine solche Entregung und Neuerregung der
Lampe in jedem Halbzyklus der Wechselspannung ergibt einen
niedrigen Wirkungsgrad der Lampe und sorgt für eine
begrenzte Lebensdauer der Lampe.
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Im Gegensatz dazu ist das erfindungsgemäße System befähigt,
die Leuchtstofflampe mit einem im wesentlichen konstanten
Strom zu betreiben, mit einer Energiequelle, die die
richtige Spannung für diese Stromeinstellung ergibt. Das kann bei
114 in Fig. 3 gesehen werden. Wie bei den Systemen nach dem
Stand der Technik bleibt diese Spannung relativ konstant mit
zunehmenden Stromamplituden durch die Lampe, nachdem das Gas
in der Lampe anfangs mit einer hohen Spannung ionisiert
wurde. Sobald die Leuchtstofflampe erregt wurde, bleibt sie
während aufeinanderfolgender Halbzyklen der anliegenden
Wechselspannung erregt. Das erfolgt teilweise, weil die
anliegende Wechselspannung in eine Gleichspannung gewandelt wurde
und weil die Spule 56 Energie zum Einführen in die
Leuchtstofflampe 60 speichert, während der Zeit, in der der
Transistor 22 nicht beaufschlagt wird. Da die Leuchtstofflampe 60
in dem erfindungsgemäßen System konstant beaufschlagt
bleibt, und da die Größe des Stromes durch die Lampe während
der aufeinanderfolgenden Halbzyklen der Wechselspannung im
wesentlichen konstant bleibt, arbeitet die Leuchtstofflampe
in dem erfindungsgemäßen System mit einem optimalen
Wirkungsgrad. Das stellt sicher, daß die Leuchtstofflampe 60 eine
lange Lebensdauer besitzt.
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Obwohl diese Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführungen
beschrieben und dargestellt wurde, sind die benutzten
Prinzipien auch zur Verwendung in zahlreichen anderen Ausführungen
verwendbar, die dem Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich
sind. Die Erfindung ist deswegen nur soweit begrenzt, wie
durch den Schutzumfang der angefügten Ansprüche angezeigt.