DE3805159A1

DE3805159A1 - Elektronisches vorschaltgeraet

Info

Publication number: DE3805159A1
Application number: DE19883805159
Authority: DE
Inventors: Peter Prof Dr Ing Marx; Dieter Dipl Ing Albert; Burkhard Prof Dr Ing Karstaedt
Original assignee: Semperlux GmbH
Current assignee: Semperlux GmbH
Priority date: 1988-02-16
Filing date: 1988-02-16
Publication date: 1989-08-24

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Vorschaltgerät zum Betrieb von Lampen, bestehend aus einem Wechselrichter (W) in Halbbrückenschaltung, der die Lampe (LL) über einen dazu parallel geschalteten Blindwiderstand (C 3) und einen zur Lampe (LL) und dem Blindwiderstand (C 3) in Serie geschalteten weiteren Blindwiderstand (L) speist, wobei der eine Brückenzweig durch zwei Leistungstransistoren (T 1, T 2) und der andere durch einen kapazitiven Spannungsteiler (C 1, C 2) gebildet wird, oder statt des kapazitiven Spannungsteilers nur ein Kondensator eingesetzt wird, der entweder mit der positiven Versorgungsgleichspannung (C 1) oder mit der negativen Versorgungsgleichspannung (C 2) verbunden wird, und die Anordnung aus den Blindwiderständen und der Lampe jeweils in der Brückendiagonale angeordnet ist, und aus einer Ansteuerschaltung (A) zum abwechselnden Durchschalten der Leistungstransistoren sowie aus einer Gleichspannungsversorgung (B) für die Ansteuerschaltung.

Bei einem solchen elektronischen Vorschaltgerät ist es bekannt, daß der Wechselrichter als ein selbstschwingendes System ausgebildet ist, bei dem die stromführenden zwei Leistungstransistoren zum abwechselnden Durchschalten einen Sättigungstransformator und einen Umschwingkondensator im Lastkreis und einen Speicher- bzw. Ladekondensator im Leistungskreis aufweisen (DE-PS 31 12 281). Daraus ergibt sich abwechselnd eine Aufladung des Umschwingkondensators über den einen Leistungstransistor aus dem Speicherkondensator und anschließend eine Entladung über den anderen Leistungstransistor.

Der Sättigungstransformator bestimmt auch die Betriebsfrequenz des Wechselrichters zum Betreiben der Lampe, wobei die Betriebsfrequenz bei Zündbetrieb etwas über der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises für die Lampe liegen muß. Durch den Sättigungsbetrieb entsteht bei der Umsteuerung der Leistungstransistoren jeweils eine Lücke. Bei einem solchen selbstschwingenden System ist auch darauf zu achten, daß die abwechselnd stromführenden Leistungstransistoren niemals, auch nicht kurzzeitig, gleichzeitig Strom führen und dadurch die Gleichspannungsquelle kurzschließen.

Ein Nachteil der bekannten Schaltungsausführungen ist darin zu sehen, daß z. B. bei Ausfall einer oder mehrerer Lampen ungünstige hohe Spannungen im System auftreten, wodurch aufwendige Sicherheitsschaltungen erforderlich sind.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Vorschaltgerät mit einer Ansteuerschaltung für den Wechselrichter zu schaffen, bei der eine genau eingestellte und gezielte Umsteuerung der beiden Leistungstransistoren vom gesperrten in den leitenden Zustand gewährleistet wird. Darüber hinaus soll die Ansteuerschaltung ohne Mehraufwand zum Dimmen der Lampen ausgenutzt werden. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß

a) die Ansteuerschaltung (A) zwei Steuerkreise (1, 2) aufweist, deren Gleichspannungsversorgung (B) potentialgetrennt ist,
b) die Brückendiagonalspannung der Brückenschaltung digital zwangsgesteuert ist, wobei die Ansteuerschaltung (A) für die Zwangssteuerung der beiden Leistungstransistoren (T 1, T 2) ebenfalls digital erfolgt,
c) in der Ansteuerschaltung (A) zwei um eine Halbperiode versetzte Ansteuerspannungen erzeugt werden, die so ausgewählt sind, daß zwischen den zwei Ansteuersignalen (G 1, G 2) für die Leistungstransistoren (T 1, T 2) eine Pulslücke vorhanden ist und
d) eines der Ansteuersignale (G 1) über ein galvanisch trennendes Bauelement (9) an den entsprechenden Leistungstransistors (T 1) übertragen wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen digital gesteuerten elektronischen Vorschaltgerätes für eine Entladungslampe,

Fig. 2 die Schaltungsanordnung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Vorschaltgerätes für zwei im Brückendiagonalzweig des Wechselrichters parallel betriebene Entladungslampen mit einer Abschaltvorrichtung, wobei die digitale Steuerschaltung für den Wechselrichter aus einem Taktgeber, einem Flip-Flop und einer Verknüpfungslogik gebildet wird,

Fig. 3 die Schaltungsanordnung eines weiteren Ausführungsbeispiels nach Fig. 2, wobei die digitale Steuerschaltung für den Wechselrichter aus einem integrierten Pulsbreitenmodulator gebildet wird,

Fig. 4 Signaldiagramme des erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgerätes im normalen Betrieb, und

Fig. 5 Signaldiagramme des Vorschaltgerätes im gedimmten Betrieb.

Fig. 1 zeigt ein elektronisches Vorschaltgerät, welches im wesentlichen aus vier Funktionsteilen besteht, und zwar aus einem Wechselrichter W, einer Ansteuerschaltung A zum abwechselnden Durchschalten der Leistungstransistoren T 1, T 2 des Wechselrichters, einer Gleichspannungsversorgung B für die Ansteuerschaltung und aus einer DC-Spannungsversorgung des Wechselrichters, die aus einem Wechselspannungsnetz D versorgt wird.

Die Ansteuerschaltung A weist zwei potentialgetrennte Steuerkreise 1 und 2 auf, deren Gleichspannungsversorgung B durch einen Trenntransformator 3 mit zwei galvanisch getrennten Sekundärwicklungen 4, 5 erfolgt, die kapazitiv gut entkoppelt sind.

Die Steuerelektronik des Steuerkreises 2 zum Ansteuern des Leistungstransistors T 2 besteht im wesentlichen aus einem Taktgeber 6, der an eine bistabile Kippstufe 7 mit Verknüpfungslogik 8 angeschlossen ist, während die Steuerelektronik des Steuerkreises 1 zum Ansteuern des Leistungstransistors T 1 das Steuersignal über ein galvanisch trennendes Bauelement 9 erhält und aus einer in einer integrierten Schaltung parallel geschalteten Verknüpfungsgliedern 10 besteht. Beide Steuerkreise 1 und 2 sind miteinander schaltungsmäßig durch das galvanisch trennende Bauelement 9 verbunden.

Der Wechselrichter W ist über Klemmen a, b an die Ansteuerschaltung A angeschlossen. In dem einen Brückenzweig des Wechselrichters W liegen in Reihenschaltung die beiden steuerbaren Leistungstransistoren T 1 und T 2, während in dem anderen Brückenzweig die kapazitiven Spannungsteiler C 1, C 2 geschaltet sind. In der Brückendiagonale sind die Entladungslampe LL und dazu parallel der Blindwiderstand C 3 geschaltet. In Serie dazu ist der weitere Blindwiderstand L angeordnet. Die heizbaren Elektroden e 1, e 2 der Entladungslampe LL sind über den Kondensator C 3 in Reihe geschaltet. Der Kondensator C 3 und die Drossel L bilden einen Serienresonanzkreis und bestimmen die Resonanzfrequenz.

Die beiden Leistungstransistoren T 1, T 2 werden durch die Steuerkreise 1 und 2 der Ansteuerschaltung A abwechselnd angesteuert, und zwar digital.

Die Fig. 2 zeigt die Schaltung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Vorschaltgerätes für zwei im Brückendiagonalzweig des Wechselrichters parallel betriebene Entladungslampen mit einer Abschalteinrichtung. Die Schaltung und der Funktionsablauf wird nachfolgend beschrieben.

Im Steuerkreis 2 der digitalen Ansteuerschaltung A befindet sich der Taktgeber 6, der zur Frequenzerzeugung dient, indem er den Takt in Form von Impulsen mit einer Impulsfrequenz von <20 kHz liefert. Dem Taktgeber 6 ist eine bistabile Kippstufe 7 in einer integrierten Schaltung nachgeschaltet, die als JK-Flip- Flop ausgebildet ist; diese halbiert die Impulsfrequenz. Die bistabile Kippstufe 7 ist mit einer NAND-Verknüpfungslogik 8 verbunden. Signale an den zwei Ausgängen der bistabilen Kippstufe 7 werden mit dem vom Taktgeber 6 kommenden Taktsignal G durch zwei NAND-Verknüpfungsglieder c, d verknüpft. Hierdurch entstehen zwei um eine Halbperiode versetzte Ausgangssignale G 1 und G 2, welche eine Pulslücke bzw. Tot-Zeit zwischen den beiden sogenannten "High-Zeiten" aufweisen. Durch diese Pulslücke wird vorteilhaft eine Verzögerung erreicht, die bewirkt, daß der Leistungstransistor T 2 nicht kurzzeitig vom gesperrten in den leitenden Zustand schaltet. Mit anderen Worten: Durch die Pulslücke wird ein Kurzschluß der Gleichspannungsversorgung DC durch ein gleichzeitiges Durchschalten der beiden Leistungstransistoren T 1 und T 2 verhindert.

Zwischen den Leitungen der Leitungspunkte e und f befindet sich die gleichgerichtete Netz-Wechselspannnung, die mittels der Kapazitäten C 1 und C 2 in der Weise aufgeteilt wird, daß an dem Leitungspunkt g gegenüber dem Leitungspunkt h des Brückenzweiges die halbe Gleichspannung auftritt. Die Leistungstransistoren T 1 und T 2 werden während des Betriebes wechselseitig in den leitenden bzw. in den gesperrten Zustand mittels der Ansteuerschaltung A gesteuert. Wie bereits erwähnt, erfolgt die Ansteuerung mit einer Frequenz <20 kHz. Zwischen den Leitungspunkten g und h des Brückenzweiges entsteht somit eine Rechteckspannung mit einer Frequenz <20 kHz, mit der ein oder mehrere Serienschwingkreise bzw. Entladungslampen-Kreise betrieben werden können. Die Serienschwingkreise bestehen aus den Entladungslampen LL 1, LL 2 und den entsprechend dazugehörigen seriell geschalteten Blindwiderständen L 5, C 5 und L 4, C 4.

Die Werte für die Induktivitäten L 4 und L 5 sowie für die Kapazitäten C 4 und C 5 sind vorteilhaft so gewählt, daß im Leerlauf (d. h., die Entladungslampen LL 1 und LL 2 haben noch nicht gezündet) an den Kondensatoren C 4 und C 5 eine relativ hohe Spannung entsteht, und zwar dadurch, daß die Steuerfrequenz etwas oberhalb der Resonanzfrequenz ausgewählt wird. Gleichzeitig ist damit auch gewährleistet, daß durch die Lampenelektroden ein ausreichender Heizstrom fließt. Dadurch wird ein äußerst schonendes Zünden der Entladungslampen LL 1, LL 2 erreicht. Mit anderen Worten: Es sind ein sogenannter Warmstart durchgeführt, der vorteilhaft auch einen wünschenswerten Dimmbetrieb ermöglicht.

Nach dem Zünden der Entladungslampen LL 1 und LL 2 werden die Serienschwingkreise L 5, C 5 und L 4, C 4 jeweils durch den ohmschen Lampenwiderstand stark gedämpft, da die Steuerfrequenz durch den als Rechteckgenerator wirkenden Taktgeber 6 fest vorgegeben wird, so daß der Serienschwingkreis bzw. Entladungslampenkreis eine induktive Last für die Generatorspannung zwischen den Leitungspunkten g und h darstellt. Die Resonanzfrequenz des Entladungslampen-Kreises bestimmt nicht die Betriebsfrequenz.

Die Gate-Ansteuersignale und für die beiden Leistungstransistoren T 1 und T 2 werden durch die digitale Ansteuerschaltung A erzeugt, die im wesentlichen aus dem Taktgeber (Timer) 6 und der Kippstufe 7 bestehen, wobei der Taktgeber 6 den Generatortakt T liefert und die Kippstufe 7 das Taktsignal in der Frequenz halbiert. Die Ausgangssignale Q und der Kippstufe 7 werden mit dem Takt mittels der NAND-Verknüpfungslogik 8 verknüpft und liefern einmal das Signal G 2, welches über einen invertierenden Treiber 11 auf das Gate des Leistungstransistors T 2 gelangt, und zum anderen das Signal G 1, welches wegen der erforderlichen Potentialtrennung der Gate-Ansteuersignale G 1 und G 2 über den Optokoppler 9 und über einen nachgeschalteten Treiber 13 auf das Gate des Leistungstransistors T 1 gelangt.

In Fig. 4 sind die logischen Verknüpfungen der vorstehend genannten Signale in ihrer zeitlichen Abfolge in einem sogenannten Signaldiagramm dargestellt. Zur Bestimmung der Generatorfrequenz und einer Pulsbreite T₁ dienen die dem Taktgeber 6 parallel geschalteten ohmschen Widerstände 14 und 15 (vgl. Fig. 2) und ein Kondensator 16.

Nachfolgend wird das Stromversorgungsteil B für die Ansteuerschaltung A beschrieben (Fig. 2): Der Transformator 3 erzeugt über die zwei galvanisch getrennten Sekundärwicklungen 4 und 5 in Verbindung mit zwei Brückengleichrichtern 17 und 18 und zwei Ladekondensatoren 19 und 20 sowie zwei Spannungsreglern 21 und 22 die potentialgetrennten Versorgungsspannungen für die beiden potentialgetrennten Steuerkreise 1 und 2 der Ansteuerschaltung A der Leistungstransistoren T 1 und T 2.

Die Gleichspannung U zwischen den Leitungspunkten e und f wird aus der Netzspannung über ein L-C-Tiefpaßfilter, ein Funkenstörungsfilter mittels eines Brückengleichrichters 23 und eines Ladekondensators 24 erzeugt.

Der L-C-Tiefpaßfilter, gebildet aus einer Drosselspule 25 und aus einem Kondensator 26, ist so dimensioniert, daß die dritte Stromoberschwingung, bezogen auf die Grundschwingung des Stromes (beispielsweise 50 Hz) begrenzt wird.

Anstelle eines L-C-Tiefpaßfilters kann auch vorteilhaft eine sogenannte Push-Pull-Schaltung zur Begrenzung des Oberschwingungsanteils des Netz-Eingangsstromes I _N eingesetzt werden.

In Fig. 3 ist eine weitere Variation der Schaltungsanordnung nach der Fig. 2 dargestellt, die im Prinzip den gleichen Aufbau aufweist, wobei jedoch der digitale Steuerkreis 2 der Ansteuerschaltung A einen integrierten Pulsbreitenmodulator 27 aufweist, durch den die elektronischen Bausteine 6, 7 und 8 ersetzt werden können. Dadurch kann die Ansteuerschaltung A weiter vereinfacht werden.

Bei dem Pulsbreitenmodulator 27 handelt es sich im wesentlichen um einen Rechteckgenerator mit variablem Tastverhältnis, sowie einer Logikschaltung, bestehend aus einem Flip-Flop und zwei NOR-Gattern, die an ihren Ausgängen die bereits genannten Signale G 1 und G 2 bereitstellen.

Vor dem Pulsbreitenmodulator 27 sind als elektronische Bausteine parallel zu diesem ein ohmscher Widerstand 28 und ein Kondensator 29 geschaltet, durch die eine Taktfrequenz f sowie eine minimale Pulslücke T₂ als sogenannte Totzeit erzeugt werden (vgl. Fig. 4).

Fig. 5 zeigt ein Signaldiagramm, in dem die Signale in ihren zeitlichen Abfolgen in einem sogenannten Dimmbetrieb dargestellt sind. Ein Dimmen der Entladungslampen LL kann in einfacher Weise durch eine Verringerung der Pulsbreite T₁ (vgl. Fig. 4) auf eine Pulsbreite T₁′ durch Anlegen einer externen einstellbaren Steuergleichspannung an den Eingang U _s des Pulsbreitenmodulators 27 erfolgen (Fig. 3). Für diesen Zweck wird eine Brücke 30 entfernt. Ist dagegen die Brücke 30 vorhanden, so arbeiten die Entladungslampen LL 1 und LL 2 gemäß Fig. 3 im Normalbetrieb, d. h. mit 100% Lichtstrom.

Dem Pulsbreitenmodulator 27 sind jeweils zwei Spannungsteiler 31 und 32 vorgeschaltet, um hierdurch eine maximale Steuergleichspannung bereitzustellen, die für den oben beschriebenen einwandfreien Betrieb der Ansteuerschaltung A erforderlich ist.

Am Ende der Lebensdauer der Entladungslampen LL, die bei ca. 6000 Stunden liegt, tritt eine sogenannte Deaktivierung der Lampenelektroden auf. Das hat zur Folge, daß dann über eine unzulässig lange Zeit ein hoher Heizstrom fließt, und eine Zündung der Lampen nicht erfolgt. Dieser erhöhte Strom kann die elekktronischen Bauelemente des Leistungskreises schädigen, so daß die Ansteuerschaltung A für die Zukunft ausfallen kann. Um diesen Effekt zu vermeiden, wird bei dem erfindungsgemäßen Vorschaltgerät eine automatisch arbeitende Abschaltvorrichtung vorgesehen, die im wesentlichen aus einem komplexen Stromsensor 31 und aus einer diesem nachgeschalteten digitalen Generator- Abschaltlogik 32 besteht. Im Falle gemäß der Schaltungsausführung nach Fig. 2 wirkt die Generator-Abschaltlogik 32 auf das UND-Gatter des Taktgebers 6 und im Falle gemäß der Schaltungsausführung nach Fig. 3 auf einen am Pulsbreitenmodulator 27 vorhandenen Abschalteingang 33.

Da durch die erfindungsgemäße digitale Zwangssteuerung der Ansteuerschaltung A keine Verschiebung der Betriebsfrequenz in Richtung der Resonanzfrequenz, mit der Gefahr einer unzulässigen Spannungserhöhung an den Entladungslampen LL (<1,5 KV) auftreten kann, können im Falle eines Elektrodenbruches an einer oder mehreren Entladungslampen die verbleibenden intakten Lampen ungestört weiterbrennen. Auch wenn sämtliche parallel an einem elektronischen Vorschaltgerät betriebenen Entladungslampen LL durch einen Wendelbruch ausfallen würden, kann keine unerwünscht hohe Spannung entstehen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist auch darin zu sehen, daß während des Normalbetriebes mehrerer intakter Lampen an dem elektronischen Vorschaltgerät nach Belieben eine, mehrere oder auch sämtliche Entladungslampen LL gefahrlos durch den Betreiber in die Fassungen eingesetzt oder aus diesen herausgenommen werden können.

Bezugszeichenliste

Claims

1. Elektronisches Vorschaltgerät zum Betrieb von Lampen, bestehend aus einem Wechselrichter (W) in Halbbrückenschaltung, der die Lampe (LL) über einen dazu parallel geschalteten Blindwiderstand (C 3) und einen zur Lampe (LL) und dem Blindwiderstand (C 3) in Serie geschalteten weiteren Blindwiderstand (L) speist, wobei der eine Brückenzweig durch zwei Leistungstransistoren (T 1, T 2) und der andere durch einen kapazitiven Spannungsteiler (C 1, C 2) gebildet wird, oder statt des kapazitiven Spannungsteilers nur ein Kondensator eingesetzt wird, der entweder mit der positiven Versorgungsgleichspannung (C 1) oder der negativen Versorgungsgleichspannung (C 2) verbunden wird, und die Anordnung aus den Blindwiderständen und der Lampe jeweils in der Brückendiagonale angeordnet ist, und aus einer Ansteuerschaltung (A) zum abwechselnden Durchschalten der Leistungstransistoren sowie aus einer Gleichspannungsversorgung (B) für die Ansteuerschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Ansteuerschaltung (A) zwei Steuerkreise (1, 2) aufweist, deren Gleichspannungsversorgung (B) potential getrennt ist,
b) die Brückendiagonalspannung der Brückenschaltung digital zwangsgesteuert ist, wobei die Ansteuerschaltung (A) für die Zwangssteuerung der beiden Leistungstransistoren (T 1, T 2) ebenfalls digital erfolgt,
c) in der Ansteuerschaltung (A) zwei um eine Halbperiode versetzte Ansteuerspannungen erzeugt werden, die so ausgewählt sind, daß zwischen den zwei Ansteuersignalen (G 1, G 2) für die Leistungstransistoren (T 1, T 2) eine Pulslücke vorhanden ist und
d) eines der Ansteuersignale (G 1) über ein galvanisch trennendes Bauelement (9) an den entsprechenden Leistungstransistors (T 1) übertragen wird (Fig. 1).

2. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Ansteuerschaltung (A) aus einem Taktgeber (6) und einem Multivibrator (7) mit asymmetrischem Teiler (Flip-Flop) sowie einer Verknüpfungslogik (8) besteht.

3. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Ansteuerschaltung (A) aus einem Pulsbreitenmodulator mit zwei gegenphasigen Signalausgängen mit Pulslücke (Tot-Zeit) besteht, wobei die Variation der Pulsbreite ein Dimmen der Lampen durch eine extern zugeführte einstellbare Spannung ermöglicht.

4. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das galvanisch trennende Bauelement (9) ein Impulsübertrager ist.

5. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das galvanisch trennende Bauelement (9) ein Optokoppler ist.

6. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungstransistoren (T 1, T 2) Power-Mos-Transistoren sind.

7. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungstransistoren (T 1, T 2) bipolare Leistungstransistoren sind.

8. Elektronisches Vorschaltgerät nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine automatisch arbeitende Abschaltvorrichtung vorgesehen ist, bestehend aus einem komplexen Stromsensor (31) und aus einer diesem nachgeschalteten digitalen Generator-Abschaltlogik (32), wobei die Abschaltlogik auf das UND-Gatter des Taktgebers (6) oder auf den Pulsbreitenmodulator (27) einwirkt.

9. Elektronisches Vorschaltgerät nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einspeisende Gleichspannungs-Quelle (DC) zur Versorgung der Halbbrückenschaltung durch eine Gleichrichter-Brückenschaltung erzeugt wird, wobei diese aus einem Drehstrom- oder Wechselstromnetz (D) erzeugt wird.