DE3886189T2 - Elektrische Anordnung zum Zünden und Speisen einer Gasentladungslampe. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine elektrische Anordnung zum Zünden und Speisen einer Gasentladungslampe, wobei die Anordnung zum Anschließen an eine Wechselspannungsquelle dient und eine Gleichrichterbrücke enthält, die an einen Gleichspannungswandler angeschlossen ist, der mit einem Gleichrichterelement, einer Spule und einem mit einer Steuerschaltung verbundenen hochfrequent geschalteten Halbleiterschaltelement versehen, und mit den Eingangsklemmen eines mit Halbleiterschaltelementen versehenen Hochfrequenzwechselrichters verbunden ist, in den die Lampe aufgenommen ist, wobei zwischen den Eingangsklemmen ein Kondensator geschaltet ist, und weiter zwischen einer der Eingangsklemmen und einem Halbleiterschaltelement des Wechselrichters ein Sensor zum Messen des vom Wechselrichter bezogenen Stroms aufgenommen ist, die Lampe in Reihe mit einer frequenzabhängigen Impedanz angeordnet ist, die Steuerschaltung des Halbleiterschaltelements im Gleichspannungswandler mit einem Regelkreis gekoppelt und über den Kondensator angeordnet ist, die Spannung am Kondensator auf einen bestimmten Wert durch Einstellen der Frequenz und der Leitungsdauer des Halbleiterschaltelements eingestellt wird, die Anordnung einen zweiten Regelkreis enthält, der an die Steuerschaltungen der Halbleiterschaltelemente des Wechselrichters angeschlossen ist, mit dem die Frequenz und/oder die Leitungsdauer der Halbleiterschaltelemente des Wechselrichters derart eingestellt wird, daß die Leistungsaufnahme der Lampe einstellbar ist.
• Eine derartige Anordnung ist in der britischen offengelegten Patentanmeldung 2 024 544 A beschrieben. In dieser Patentanmeldung ist eine Speiseschaltung eines Gleichspannungswandlers, wie z. B. eines Vorwärtswandlers, beschrieben, der mit einem Hochfrequenzwechselrichter verbunden ist. Der Gleichspannungswandler arbeitet als Stromquelle für einen damit gekoppelten hochfrequent schaltenden Wechselrichter. Ein erster Regelkreis setzt die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers auf einen Wert, der von einem Rückkoppelsignal aus einem Stromsensor nach dem ersten Regelkreis abhängig ist. Der Wechselrichter liefert Strom an ein resonierendes Netz mit einem von einem Induktor in Reihe mit einer Lampenbelastung nebengeschlossenen Kondensator. Ein zweiter Regelkreis hält die Schaltgeschwindigkeit des Wechselrichters auf der resonanten Frequenz des Netzes fest, so daß der Wechselrichter einen sinusförmigen Ausgangsstrom erzeugt. Nach der erwähnten Veröffentlichung fließt wesentlich konstanter Strom durch die Lampe, obgleich die Spannung an der Lampe sich unter abweichenden Betriebsbedingungen ändert. Dies hat den Nachteil, daß die Leistungsaufnahme der Lampe und damit die Lichtausbeute abnimmt, wenn eine Lampe mit einer verhältnismäßig niedrigen Lampenspannung betrieben wird (beispielsweise durch Altern oder im Betrieb einer Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe an einer verhältnismäßig heißen Stelle). Sogar beim Anbringen einer Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe mit einer Edelgasmischung im Lampenkolben in einer Zusammensetzung in der Schaltung, wobei die Zusammensetzung von der herkömmlichen Zusammensetzung abweicht und eine ähnliche Abweichung in der Betriebsspannung ergibt, wurde gefunden, daß die Lichtausbeute einer derartigen Lampe auf einen unzulässig niedrigen Pegel absinkt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das vorbeschriebene Problem derart zu beseitigen, daß eine Anordnung geschaffen wird, mit der die von der Lampe aufgenommene Leistung im Betrieb immer nahezu konstant ist.
• Diese Aufgabe wird mit einer Anordnung zum Zünden und Speisen einer Entladungslampe der eingangserwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Stromsensor mit dem zweiten Regelkreis gekoppelt ist und die Stromaufnahme der Lampe mit den an den zweiten Regelkreis angeschlossenen Steuerschaltungen einstellbar ist.
• Es sei bemerkt, daß aus der europäischen Patentanmeldung 0 201 624 eine Anordnung mit einem Gleichspannungswandler bekannt ist, der eine Regeleinrichtung zum Speisen des Wechselrichters mit einem zwischen einer unteren und einer oberen Grenze liegenden Strom enthält. Eine Steuerschaltung, die über einen Kondensator angebracht und mit einem Regelkreis zum Regeln der an den Wechselrichter gelieferten Spannung gekoppelt ist, ist nicht vorhanden. Die Leistungsaufnahme der Lampe ist daher von der Betriebsspannung der Lampe abhängig.
• In der erfindungsgemäßen Anordnung wird im Betrieb über den zwischen den Eingangsklemmen geschalteten Kondensator eine Konstantgleichspannung durch geeignete Wahl der Leitungsdauer und der Frequenz des Halbleiterschaltelements im Gleichspannungswandler (wie z. B. einem Aufwärtswandler) verwirklicht. Mit dem Sensor und dem damit verbundenen Regelkreis wird durch geeignete Wahl der Frequenz und der Leitungsdauer der Halbleiterschaltelemente im Wechselrichter der abgegriffene Kondensatorstrom konstant gehalten. (Der Kondensator entzieht seine Energie dem Speisenetz über den Gleichspannungswandler.) Die vom Kondensator aufgenommene Leistung und also die von der Lampe aufgenommene Leistung ist dabei gleichfalls konstant, da durch die Regelung der Frequenz die Impedanz des mit der Lampe in Reihe geschalteten Elements abgeändert werden kann. Die Verluste in den Schaltelementen, in der Spule in Reihe mit der Lampe und im Sensor sind dabei möglichst gering.
• Die Lichtausbeute einer in die erfindungsgemäße Anordnung aufgenommenen Lampe ist vorteilhaft. Auch bei Verringerung der Lampenspannung, die während der Lebensdauer der Lampe auftritt, bleibt die Lichtausbeute auf einem konstanten Pegel stabilisiert.
• Besonders vorteilhaft ist die Erfindung bei Niederdruckquecksilberdampfentladungslampen, in denen sich die Brennspannung durch Temperaturänderungen in der Entladungsröhre ändert. So tritt im Betrieb kompakter Leuchtstofflampen, deren Entladungsröhre von einem Außenkolben umgeben ist, leicht ein Abfall der Brennspannung durch Anstieg der Temperatur in der Umgebung der Entladungsröhre auf.
• Daher eignet sich die Anordnung besonders zum Aufnehmen in eine derartige kompakte Leuchtstofflampe. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht es, die aufgenommene Lampenleistung über ein breites Temperaturintervall konstant zu halten.
• Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht es, verschiedene Lampentypen auf die gleiche Leistung einzustellen.
• In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung sind die Schaltfrequenz des Halbleiterschaltelements im Gleichspannungswandler und die Frequenz der Schaltelemente im Wechselrichter gleich oder ein Vielfaches von einander.
• Die elektrischen Ströme, die im Betrieb den Kondensator zwischen den Eingangsklemmen des Wechselrichters durchfließen, gleichen einander ganz oder teilweise aus. Die Belastung des Kondensators ist dabei verhältnismäßig niedrig, was die Lebensdauer dieses Elements vorteilhaft beeinflußt.
• In einem besonderen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Spannung am Kondensator durch Einstellen der Frequenz und der Leitungsdauer des Halbleiterschaltelements im Gleichspannungswandler ununterbrochen einstellbar, wodurch die aufgenommene Lampenleistung gleichfalls einstellbar ist. Indem beispielsweise ein Rücklaufwandler als Gleichspannungswandler verwendet wird, stellt ein Benutzer über den Kondensator eine bestimmte Spannung ein, wodurch die Lampe abblendbar ist. Der aus dem Kondensator bezogene Strom bleibt jedoch immer konstant. Die Gleichspannung am Kondensator ist der aufgenommenen Leistung der abgeblendeten Lampe proportional. Das Abblenden der Lampe mit Hilfe des Schaltelements im Gleichspannungswandler bietet den Vorteil, daß Leistungsverluste in den Schaltelementen und in der Spule im Wechselrichter beim Abblenden verhältnismäßig niedrig sind.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
• In der Zeichnung bezeichnet 1 eine rohrförmige Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe. Die Lampe enthält zwei vorheizbare Elektroden 2 und 3. Die Lampe ist in eine elektrische Anordnung aufgenommen, die mit den Eingangsklemmen 4 und 5 an eine Wechselspannungsquelle anschließbar ist (z. B. 220 V Wechselspannung). Über das Eingangsfilter 6 sind die Klemmen an eine Gleichrichterbrücke 7 angeschlossen, deren Ausgang mit den Eingangsklemmen 8 und 9 eines Gleichspannungswandlers verbunden ist, der als Aufwärtswandler ausgeführt ist. Die Klemme 8 ist mit einer Reihenschaltung aus der Spule 10 und dem Gleichrichterelement (Diode) 11 verbunden. Der Verbindungspunkt von 10 und 11 ist an den Kollektor des Halbleiterschaltelements 12 angeschlossen, dessen Emitter mit der Klemme 9 verbunden ist. Als Beispiel sind in dieser Beschreibung die Halbleiterschaltelemente als Transistoren ausgeführt. In einer praktischen Ausführungsform sind die genannten Elemente MOS- FETs. Die Basis von 12 ist an eine Steuerschaltung 13 angeschlossen, mit deren Hilfe das Schaltelement 12 hochfrequent leitend und hochfrequent gesperrt gemacht werden kann. Die Steuerschaltung 13 ist mit einem Regelkreis 14 mit einer Bezugsspannung versehen, mit dessen Hilfe die Dauer und die Frequenz des leitenden bzw. des nichtleitenden Zustands des Schaltelements 12 derart beeinflußt werden, daß am Kondensator 15 zwischen den Klemmen 16 und 17 eine Gleichspannung mit einem stabilisierten Wert eingestellt ist. Die Klemmen 16 und 17 sind die Eingangsklemmen eines Wechselrichters, in den die Lampe 1 aufgenommen ist. Die Klemmen 16 und 17 sind durch eine Reihenschaltung eines Kondensators 18, einer Belastungskette mit der Lampe 1 (mit einem parallel zu den Elektroden 2 und 3 geschalteten Kondensator 19) und einer in Reihe mit der Lampe angeordneten frequenzabhängigen Impedanz 20 (beispielsweise einer Spule) verbunden. Weiter sind in Reihe mit 18, 1 und 20 ein erstes Halbleiterschaltelement 21 und ein Sensor 22 geschaltet (zum Messen des vom Wandler aus dem Kondensator aufgenommenen Stroms (siehe weiter unten). An den Verbindungspunkt des Sensors 22 (beispielsweise einen Widerstand mit niedrigem Wert, ein Hall-Element oder einen anderen Gleichspannungssensor) und des Schaltelements 21 ist ein Kondensator 23 angeschlossen, der ebenfalls mit dem Verbindungspunkt des Kondensators 18 und der Lampe 1 verbunden ist. Die Schaltung mit dem Kondensator 18, der Lampe 1 (mit dem Kondensator 19) und der Spule 20 wird durch das zweite Halbleiterschaltelement 24 überbrückt.
• Die beiden Schaltelemente 21 und 24 werden mit den nur skizziert dargestellten Steuerschaltungen 21a und 24a abwechselnd in den hochfrequent leitenden und nichtleitenden Zustand gebracht. Die Steuerschaltungen 21a und 24a sind miteinander verbunden (beispielsweise über einen Transformator und haben eine Ausführung entsprechend der Beschreibung in der niederländischen offengelegten Patentanmeldung 8400923). Die Verbindung ist in der Zeichnung mit einer gestrichelten Linie skizziert dargestellt. Die beiden Halbleiterschaltelemente 21 und 24 sind durch Freilaufdioden 25 und 26 überbrückt (sie sind in einem MOS-FET integriert).
• Der Sensor 22 ist mit einem Regelkreis 27 verbunden, der die am Sensor 22 gemessene Spannung (und also den vom Wandler abgegriffenen Strom) mit einer Bezugsspannung vergleicht, die im Kreis 28 erzeugt wird.
• Der Regelkreis 27 ist mit den beiden Steuerschaltungen 21a und 24a verbunden, mit denen nicht nur die Schaltfrequenz der beiden Halbleiterschaltelemente 21 und 24, sondern auch die Zeit je Dauer des leitenden Zustands der Elemente geregelt wird. Eine derartige Dauer ist die Zeit, in der ein Schaltelement einmal leitet und einmal gesperrt ist (Tastverhältnis). Mit dem Regelkreis 27 wird der vom Kondensator aufgenommene Strom und damit die von der Lampe 1 aufgenommene Leistung konstant gehalten.
• Im Wandler ist ebenfalls ein Startkreis vorgesehen, um das Hochfrequenzschalten des Wandlers zu starten (in der Zeichnung nicht dargestellt). Eine derartige Schaltung ist in der bereits genannten niederländischen offengelegten Patentanmeldung 8400923 beschrieben.
• Die in der Zeichnung dargestellte Schaltung hat folgende Wirkungsweise. Nach dem Anschließen der Klemmen 4 und 5 an das Speisenetz wird durch die Wahl der Frequenz des leitenden/nichtleitenden Zustands und des Tastverhältnisses des Halbleiterschaltelements 12 eine Konstantspannung am Kondensator 15 verwirklicht. Die Elemente 10, 11 und 12 bilden einen sog. Aufwärtswandler. Die Spannung am Kondensator 15 ist höher als der Spitzenwert der Spannung zwischen den Klemmen 8 und 9.
• Über einen Stakreis (nicht dargestellt) wird der Wechselrichter gestartet und werden die Schaltelemente 21 und 24 abwechselnd in den hochfrequent leitenden und hochfrequent nichtleitenden Zustand gebracht. Die Leistung für die Lampe 1 wird aus dem Kondensator 15 bezogen. Der aufgenommene Strom dieses Kondensators wird jetzt mit dem Sensorelement 22 konstant gehalten. Die an diesem Element gemessene Spannung wird im Regelkreis 27 mit einer Bezugsspannung aus 28 verglichen. Wenn beispielsweise die Spannung an der Lampe absinkt, muß zum Konstanthalten der aufgenommenen Lampenleistung der Lampenstrom ansteigen. Dies wird durch Herabsetzen der Schaltfrequenz von 21 und 24 verwirklicht. Die Impedanz von 20 sinkt ab und die des Kondensators 19 steigt an, was eine Vergrößerung des Lampenstroms bedeutet. Dabei bleibt die von der Lampe aufgenommene Leistung konstant.
• Die Frequenz des Wechselrichters beträgt in einer praktischen Ausführungsform etwa 28 kHz. Dabei beträgt die Frequenz des Gleichspannungswandlers 56 kHz. Durch die Ausführung des Gleichspannungswandlers als Rücklaufwandler kann durch Änderung seiner Frequenz bzw. des Tastverhältnisses des Schalters die Gleichspannung am Kondensator 15 eingestellt und die von der Lampe aufgenommene Leistung beeinflußt werden (Abblendwirkung).
• Wenn das Tastverhältnis des Rücklaufwandlers eingestellt und damit die Spannung an 15 auf einen bestimmten Wert gebracht wird, wird die von der Lampe aufgenommene Leistung geregelt. Dabei wurde gefunden, daß die Frequenz des Wechselrichters nahezu konstant bleibt. Nur die Spannung am mittleren Abzweig (1, 19 und 20) des Wechselrichters ist proportional niedriger zur Spannung am Kondensator 15. Vorteilhaft ist dabei, daß die Lampe ohne große Änderung der Frequenz abgeblendet wird. Die Möglichkeit von Funkstörung ist geringer als in Schaltungen, in denen die Lampe durch Frequenzänderung abgeblendet wird.
• In dieser Ausführungsform ist die Lampe eine rohrförmige Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe mit einer Leistung von 32 W (TL-D h.f.). Die Kapazität des Kondensators 15 beträgt 47 uF, die des Kondensators 19 10 nF. Die Kapazität der Kondensatoren 18 und 23 beträgt 0,5 uF. Die Spule 10 beträgt etwa 2 mH, die Spule 20 etwa 3,2 mH. Das Sensorelement 22 ist ein 0,1-Ω-Widerstand. Die Diode 11 ist eine BYV 26C (Philips). Die Halbleiterschaltelemente 12, 21 und 24 sind MOS-FETs vom Typ BUZ 76 (Philips). Zwischen den Klemmen 4 und 5 liegt eine Wechselspannung von 220 V, 50 Hz.

Claims (3)

1. Elektrische Anordnung zum Zünden und Speisen einer Gasentladungslampe (1), wobei die Anordnung zum Anschließen an eine Wechselspannungsquelle dient und eine Gleichrichterbrücke (7) enthält, die an einen Gleichspannungswandler angeschlossen ist, der mit einem Gleichrichterelement (11), einer Spule (10) und einem mit einer Steuerschaltung (13) verbundenen hochfrequent geschalteten Halbleiterschaltelement (12) versehen und mit den Eingangsklemmen (16, 17) eines mit Halbleiterschaltelementen (21, 24) versehenen Hochfrequenzwechselrichters verbunden ist, in den die Lampe (1) aufgenommen ist, wobei zwischen den Eingangsklemmen (16, 17) ein Kondensator (15) geschaltet ist, und weiter zwischen einer der Eingangsklemmen (17) und einem Halbleiterschaltelement (21) des Wechselrichters ein Sensor (22) zum Messen des vom Wechselrichter bezogenen Stroms aufgenommen ist, die Lampe (1) in Reihe mit einer frequenzabhängigen Impedanz (20) angeordnet ist, die Steuerschaltung (13) des Halbleiterschaltelements (12) im Gleichspannungswandler mit einem ersten Regelkreis (14) gekoppelt und über den Kondensator (15) angeordnet ist, die Spannung am Kondensator (15) auf einen bestimmten Wert durch Einstellen der Frequenz und der Leitungsdauer des Halbleiterschaltelements im Gleichspannungswandler eingestellt wird, die Anordnung einen zweiten Regelkreis (27) enthält, der mit den Steuerschaltungen (21a, 24a) der Halbleiterschaltelemente (21, 24) des Wechselrichters verbunden ist, mit dem die Frequenz und/oder die Leitungsdauer der Schaltelemente (21, 24) des Wechselrichters derart einstellbar sind, daß die Leistungsaufnahme der Lampe (1) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsensor (22) mit dem zweiten Regelkreis (27) derart gekoppelt ist, daß die Leistungsaufnahme der Lampe konstant ist.

2. Elektrische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltfrequenz des Halbleiterschaltelements (12) im Gleichspannungswandler und die Frequenz der Halbleiterschaltelemente (21, 24) im Wechselrichter einander gleich oder ein Vielfaches von einander sind.

3. Elektrische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung am Kondensator (15) durch Einstellung der Frequenz und der Leitungsdauer des Halbleiterschaltelements (12) im Gleichspannungswandler ununterbrochen einstellbar ist.