DE3914676A1

DE3914676A1 - Spannungsversorgungsschaltung fuer eine leuchtstofflampe

Info

Publication number: DE3914676A1
Application number: DE19893914676
Authority: DE
Inventors: Andrew P Kisylia; Robert C Griffith
Original assignee: Magnetek Inc
Current assignee: Magnetek Inc
Priority date: 1988-05-03
Filing date: 1989-05-03
Publication date: 1989-12-07
Also published as: GB8909818D0; FR2631508A1; GB2219877A; JPH0260097A; MX170570B

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannungsversorgungsschaltung für eine Leuchtstofflampe. Derartige Schaltungen verfügen über eine elektronisch nachgebildete Last, um die Lampe mit einem Wir kungsgrad von möglichst nahe 100 mit Leistung zu versorgen.

Es ist bekannt für Leuchtstofflampen zugeordnete elektronische Lastschalter an der Wechselspannungsleitung primär eine kapazitive Last vorzusehen. Da die Startspannung für die Lampe typischerweise größer ist als die Leitungsspannung, wird die Lampe in der Regel mit einer Schaltung verbunden, die sowohl induktive wie auch kapazitive Reaktanzen aufweist, die so zusammenwirken, daß die Leitungsspannung so weit erhöht wird, daß sie ausreicht, die Lampe zu zünden. Da diese Reaktanzen den Wirkungsgrad der Lampenschaltung negativ beeinflussen, was für den Betreiber zu erhöhten Betriebskosten führt, besteht seit langem die Aufgabe, derartige Schaltungen immer so weiter zu verbessern, daß sie noch höheren Wirkungsgrad aufweisen als bisher bekannte Schaltungen.

Die erfindungsgemäße Schaltung ist durch die Merkmale von An spruch 1 gegeben. Sie weist einen Energiespeicher auf, der mit einer Frequenz geladen und entladen wird, die wesentlich höher ist als die Frequenz der geführten Wechselspannung. Das Schaltverhältnis hängt vozugsweise von unterschiedlichen über wachten Bedingungen ab, insbesondere Änderungen im Lampenstrom und der Versorgungsspannung. Vom Schaltverhältnis hängt die im ersten Intervall eines Zyklus gespeicherte Energie und die im zweiten Intervall an die Lampe abgegebene Energie ab. Der Lam penstrom wird dadurch im wesentlichen trotz Spannungsschwankun gen konstant gehalten, wie sie z. B. als Welligkeit auf der Gleichspannung nach dem Gleichrichten der Wechselspannung vor handen sind.

Die Größe des Eingangsstromes wird durch den schaltbaren Spei cher überwacht, und sie dient als Rückkopplungssignal, um die Phase des Eingangsstromes mit der Phase der Spannungsversorgung dadurch zu koppeln, daß das Schaltverhältnis abhängig von Pha senverschiebungen geregelt wird. Dies führt zu einem Wirkungs grad von im wesentlichen 100%.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines durch eine Figur veranschaulichten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Figur ist ein schematisches Schaltbild für eine Schaltung zum Starten und Betreiben einer Leuchtstofflampe.

Die Schaltung gemäß der Figur dient zum Betreiben eines Leucht stofflampenpaares 12, das zwischen Anschlüsse 26 und 28 geschal tet ist. Die Schaltung verfügt über einen Lastteil 24, einen Gleichrichterteil 10 als Spannungsquelle für die Schaltung und das Lampenpaar 12 und über einen 50 kHz-Sägezahngenerator 14 zum Erzeugen eines periodischen Referenzsignales mit einer Fre quenz, die wesentlich höher ist als die Frequenz der Wechsel spannung.

Der Lastteil 24 dient zum Kompensieren der wechselnden Impedanz der Lampen. Es ist bekannt, daß die Impedanz einer Leuchtstoff lampe mit zunehmendem Lampenstrom fällt. Diese negative Charak teristik würde zu einem schnellen und dauernden Abnehmen des Lampenstroms nach dem Zünden der Lampe führen, was ein Durch brennen zur Folge hätte, wenn keine Gegenmaßnahme ergriffen würde. Eine Last erzeugt einen kompensierenden Widerstand, der den Lampenstrom auf Werte in einem solchen Bereich begrenzt, der zu maximaler Lebensdauer der Lampe führt.

Der Gleichrichterteil 10 der Schaltung ist ein Vollwellen- Brückengleichrichter. Der dargestellte Brückengleichrichter er hält 115 Volt Effektivspannung mit 60 Hz von einer nicht darge stellten Spannungsquelle. Die Welligkeit hat eine Maximalampli tude von etwa 160 V und eine Frequenz des Doppelten der Lei tungsspannungsfrequenz, also 120 Hz. Es können ohne weiteres andere Spannungen mit anderen Frequenzen verwendet werden.

Die Ausgangsspannung vom Gleichrichterteil 10 wird einem Paar in Reihe geschalteter Induktivitäten L 1 und L 2 zugeführt. An den Verbindungspunkt zwischen den zwei Induktivitäten ist ein Kondensator C 4 angeschlossen. Die Kombination dieser Bauteile L 1, L 2 und C 4 filtert Schaltspannungen hoher Frequenz aus dem eingegebenen Signal aus.

Wie im folgenden genauer beschrieben wird, dient der Rest der Schaltung zum abwechselnden Speichern und Abgeben elektrischer Energie. In einem ersten Intervall wird Energie aus dem Gleich richterteil in einem Kondensator C 5 gespeichert, der in einem zweiten Intervall zumindest teilweise über die Lampen 12 entla den wird. Das Verhältnis zwischen den beiden Intervallen wird durch Ändern des Schaltverhältnisses an einem FET Q 1 einge stellt, also das Verhältnis zwischen EIN und AUS.

Das Schaltverhältnis des FET Q 1 wird durch einen Pulsbreiten modulator 20 in Abhängigkeit von mehreren Schaltungszuständen gesteuert. Der Pulsbreitenmodulator 20 verfügt über einen Kom parator 22, dessen Ausgangssignal auf die Basis eines NPN- Transistors Q 2 gegeben wird. Der Kollektor des Transistors Q 2 ist mit dem Ausgang des Gleichrichterteils 10 verbunden, während sein Emitter an das Gate des FET Q 1 angeschlossen ist.

Der invertierende Eingang des Komparators 22 empfängt das Säge zahn-Referenzsignal vom Sägezahngenerator 14. Darüber hinaus steht der invertierende Eingang des Komparators über einen Wider stand R 20 mit einer Seite des Lampenpaars 12 in Verbindung, um die Lampenspannung E ₂ zu überwachen.

Der nicht invertierende Eingang des Komparators 22 ist über ein Paar in Reihe geschaltete Widerstände R 8 und R 1 mit derjenigen Seite der Last 24 verbunden, die dem Lampenpaar 12 gegenüber liegt. Dieser Anschluß dient zum Überwachen des Eingangsstromes. Darüber hinaus ist der nicht invertierende Eingang des Kompara tors über einen Widerstand R 9 mit dem Ausgang des Gleichrichter teils 10 verbunden und empfängt von dort das gleichgerichtete Ausgangssignal E ₃. Dieses Signal ist die Summe der jeweiligen gleichgerichteten Eingangsspannung E ₁ und der Lampenspannung.

Der Eingangsgleichstrom wird mit Hilfe der am Widerstand R 1 ab fallenden Spannung überwacht. Da der Strom im hinteren Teil der Diodenbrücke dem Strom im vorderen Teil entspricht, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen, ist die am Widerstand R 1 abfallende Spannung proportional zum Strom im vorderen Teil. Der Verbin dungspunkt zwischen den Widerständen R 8 und R 1 ist mit dem hin teren Teil der Diodenbrücke verbunden. Das andere Ende des Widerstandes R 1 liegt auf Schaltungsmasse. Das Potential des Verbindungspunktes wird dadurch zunehmend negativer, wenn der Gleichstrom auf der Rückseite der Diodenbrücke von Null aus ansteigt.

Bevor die Lampen gezündet werden, gelangt ein Signal an den nicht invertierenden Eingang des Komparators 22, das nur pro portional zur gleichgerichteten Leitungsspannung E ₁ ist. Da der Maximalwert dieser Spannung etwa 160 V entspricht, sind die Werte der Widerstände R 8 und R 9 so gewählt, daß eine Maximal spannung von etwa 1 V erzeugt wird.

Vor dem Zünden der Lampe 12 vergleicht der Komparator 22 die Größe der Sägezahnschwingung an seinem invertierenden Eingang mit dem Signal, das an seinen nicht invertierenden Eingang ge legt wird. Er erzeugt ein positives Ausgangssignal, solange das Sägezahnsignal größer ist als das andere Signal. Das Sägezahn signal weist eine Spannung von Spitze zu Spitze von etwa 200 mV auf, was ausreicht, daß die Ausgangsspannung, die den Transi stor Q 2 schaltet, in etwa 50% der Zykluszeit positiv ist.

Mit dem Schalten des Transistors Q 2 fließt Gleichstrom über seine Kollektor-Emitter-Strecke zum Gate des FET Q 1 über einen Widerstand R 13. Der FET Q 1 schaltet EIN, wodurch er die Aus gangsseite der Induktivität L 1 und die rückwärtige Seite der Diode D 2 mit Masse verbindet. Die Diode D 2 dient dazu, daß sich der Kondensator C 5 nicht über den FET Q 1 nach Masse entladen kann. Die am Kondensator C 5 anliegende Spannung E ₂ wird als ne gative Rückkopplungsspannung über einen Widerstand R 14 und einen Kondensator C 10 dem Komparator 22 zugeführt.

Aufgrund der induktiven "Trägheit" der Induktivität L 1 führt der Effekt des Ein- und Ausschaltens des FET Q 1 dazu, daß sich am Kondensator C 5 eine Spannung aufbaut, die die Gleichspannung E ₁ übersteigt. Die Kondensatorspannung E ₂ hängt mit der Gleich spannung E ₁ wie folgt zusammen:

E₂ = E₁/(1-Schaltverhältnis) (1)

wobei für das Schaltverhältnis gilt: Prozentualer Anteil der EIN-Zeit des FET Q 1.

Dementsprechend ist ein Schaltverhältnis von 50% am FET Q 1 aus reichend, um schnell eine Spannung einer Höhe aufzubauen, die ausreicht, die Lampen zu zünden.

Nachdem die Lampen gezündet haben, fällt eine dem Lampenstrom entsprechende Spannung am Widerstand R 1 ab, die an den nicht invertierenden Eingang des Komparators gegeben wird. Dort wird sie mit der Spannung E ₁ verglichen. Es entsteht ein Fehlersig nal, wenn die beiden Spannungen nicht in Phase sind. Der Kompa rator 22 vergleicht das Fehlersignal mit der Sägezahnspannung und treibt die Transistoren Q 1 und Q 2 und den Kondensator C 5 so, daß der Eingangsgleichstrom (gemessen durch die an R 1 abfallende Spannung) zur Gleichspannung E ₁ gegenphasig wird. Die Indukti vität L 1, der FET Q 1 und der Kondensator C 5 wirken als Span nungsbooster, der durch den Komparator 22 gesteuert ist. Der Komparator 22 und die Boosterschaltung wirken als einzelner fehlerkorrigierender Verstärker, für den E ₃ das Fehlersignal und E ₂ das Ausgangssignal ist, das als negatives Eingangssignal an den Eingang des fehlerkorrigierenden Verstärkers rückgekop pelt wird.

Eine Änderung in der Spannung E ₃ von -200 mV nach + 200 mV hat eine Änderung im Schaltverhältnis des FET Q 1 von 0% auf 100% zur Folge. Das Fehlersignal E ₃ ist die Nettospannung, die aus der Phasendifferenz zwischen der Welligkeitsspannung auf der Gleichspannung und der Eingangsspannung resultiert. Da, wie in Gleichung (1) angegeben, die Ausgangsspannung E ₂ des fehler korrigierenden Verstärkers mit der Eingangsspannung E ₁ über das Schaltverhältnis des FET Q 1 gekoppelt ist, minimiert das Schalt verhältnis den "Fehler" zwischen Eingangsstrom und Eingangs spannung, wodurch die Phasendifferenz zwischen der am Wider stand R 1 abfallenden Spannung, hervorgerufen durch den dort fließenden Strom, und der am Verbindungspunkt zwischen den Wi derständen R 8 und R 9 abgegriffenen Spannung dadurch minimiert wird, daß der Eingangsstrom in Phase mit der Eingangsspannung bleibt. Dies hat einen Wirkungsgrad von im wesentlichen Eins für die Lastschaltung und die Lampe zur Folge. Die Selbstre gelung der erläuterten Schaltung führt dazu, daß keine in Reihe geschalteten Induktivitäten, Transformatoren und abgestimmte Schaltungen mehr erforderlich sind. Der größte Teil der Schal tung kann daher mit LSI-Techniken realisiert werden, was zu beachtenswerten Kostenvorteilen führt.

Claims

1. Spannungsversorgungsschaltung für eine Leuchtstofflampe mit

- ersten Anschlüssen zum Zuführen von Wechselspannung,
- zweiten Anschlüssen (26, 28) zum Zuführen von Gleichspan nung an die Lampe (12),
- eine Einrichtung (14) zum Erzeugen eines periodischen Be zugssignals mit einer Frequenz, die erheblich höher ist als die Frequenz der Wechselspannung,
- einem schaltbaren Speicher (C 5) zum abwechselnden Speichern von Energie in einem ersten Intervall und zum Abgeben zu mindest eines Teils der Energie an die Lampe in einem zwei ten Intervall, und
- eine Einrichtung (22), die auf Schwankungen in der Wech selspannung hin das Verhältnis der beiden Intervalle än dert, um die Größe des Lampenstroms im wesentlichen kon stant zu halten.

2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch :

- eine Spannungserhöhungsschaltung (L 1, Q 1, Q 2, C 5), die eine ihr zugeführte Eingangsspannung abhängig vom Schaltverhält nis einer Schalteinrichtung (U 2) erhöht, und
- einen Komparator (22) zum Regeln des Schaltverhältnisses abhängig von der Phasenverschiebung zwischen Eingangs spannung und Eingangsstrom, wobei so geregelt wird, daß die Verschiebung möglichst Null ist.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß der Spannungserhöher eine Induktivität (L 1) auf weist, die mit der Eingangsspannungsquelle verbunden ist, um die Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten, wenn der Schalter umschaltet, und ein Stromventil (D 2) vorhanden ist, das die Induktivität mit dem Kondensator (C 5) verbindet, um nur Strom in einer Richtung von der Induktivität zum Kondensator zuzulassen.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal dem Kompara tor (22) zugeführt wird, um ein Referenz-Schaltverhältnis dann zu liefern, wenn der Lampenstrom und die Eingangsspan nung in Phase sind.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 2-4, gekenn zeichnet durch Bauteile (R 8, R 10), die die Eingangs spannung an den Komparator (22) geben, um das Schaltverhält nis abhängig von der Eingangsspannung zu ändern.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-5, gekennzeich net durch Mittel zum Erzeugen eines Fehlersignals, das ein Maß für die Phasendifferenz zwischen Eingangsstrom und Eingangsspannung ist, wobei die Amplitude des Fehlersignals zwischen der Maximal- und der Minimalamplitude des periodi schen Referenzsignals liegt, wobei das Ausgangssignal vom Komparator (22) einen ersten Pegel einnimmt, solange der Pegel des Referenzsignals unter dem Pegel des Fehlersignals liegt, und daß andernfalls ein Signal mit zweitem Pegel aus gegeben wird.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-6, gekennzeich net durch

- einen Vollwellengleichrichter zum Erzeugen einer Gleich spannung mit einer Wechselspannungs-Restwelligkeit, und
- einem Filter zum Verringern der Restwelligkeit.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-7, gekennzeich net durch ein einstellbares Widerstandsmittel, das mit einem Lampenanschluß in Reihe geschaltet ist, um den variab len Widerstand der Leuchtstofflampe zu kompensieren.

9. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-8, gekenn zeichnet durch einen ersten Schalter, der auf ein Schaltsignal reagiert, um die Induktivität und ein Strom ventil, das zum Ladungsspeicher führt, mit Masse zu verbin den, um das erste Intervall zu definieren.

10. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-9, gekennzeich net durch

- einen Widerstand zum Abgreifen der gleichgerichteten Span nung mit Hilfe eines Stromes, der von der Rückseite des Gleichrichters zur Schaltungsmasse fließt, und
- einen Komparator (22), der abhängig von der Größe dieser Spannung und der Größe der gefilterten Gleichspannung ein Schaltsignal an den genannten Schalter gibt.