DE4032329A1 - Schaltungsanordnung zum hochfrequenten betrieb von gasentladungslampen mit pulsierender gleichspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Betrieb von Gasentladungslampen mit einer pulsierenden Gleichspannung und insbesondere auf eine Schaltungsanordnung zum hochfrequenten Betrieb einer Gasentladungslampe, insbesondere Leuchtstofflampe, mit

• - einem Vollweg-Netzgleichrichter,
• - einem diesem nachgeschalteten Ladekondensator,
• - einem fremdgesteuerten oder selbsterregten Zerhacker, bestehend aus einer Schalteransteuerung und zwei elektronischen Schaltern in Halbbrückenschaltung,
• - einem Trennkondensator im Ausgang des Zerhackers,
• - einem Lastkreis, bestehend aus einer Entladungslampe und einer in Reihe zu der Entladungslampe geschalteten strombegrenzenden Drossel, und
• - einer Vorheiz- und Zündschaltung.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist beispielsweise durch die DE 29 41 822 A1 bekannt geworden. Diese bekannte Schaltungsanordnung bildet insbesondere einen Arbeitsschwingkreis aus einer Reihenschaltung von einer Induktivität und einem Kondensator, dem die Lampe parallel geschaltet ist. Der Zerhacker erhält dort eine echte Gleichspannung, und der Lastkreis wird stets als Serienresonanzkreis, nicht aber auch als L-R-Kreis betrieben. Um bei einer solchen Schaltungsanordnung die Schwingung aufrechtzuerhalten, sollte der Lampenwider­ stand immer größer als der doppelte Kennwiderstand sein. Diese Bedingung ist bei vorgegebener Lampenleistung und Netzspannung ohne Impedanzanpassung über einen Trans­ formator für die meisten, relativ niederohmigen, Lampen nicht erfüllbar.

Meist enthalten elektronische Vorschaltgeräte (EVGs) für Entladungslampen, die aus dem Wechselspannungsnetz gespeist werden, als wesentliche Funktionsblöcke einen Vollweggleichrichter, einen Sieb- oder Ladekondensator, einen Zerhacker, gebildet aus elektronischen Schaltern in Halbbrückenschaltung und einer Schalteransteuerung, einen Trennkondensator sowie einen Lastkreis mit der Lampe als Verbraucher, einer seriellen Drossel zur Strombegrenzung und einer Zusatzschaltung zum Vorheizen und Zünden der Lampe. Aus der gleichgerichteten und mit dem Ladekonden­ sator geglätteten Wechselspannung erzeugt dabei der selbsterregte oder fremdgesteuerte Zerhacker hinter dem hinreichend großen Trennkondensator eine hochfrequente, symmetrische Rechteckspannung mit der halben Amplitude der Gleichspannung über dem Ladekondensator. Mit dieser Rechteckspannung wird dann über die serielle Drossel die Lampe betrieben. Über sie fließt so ein hochfrequenter, symmetrischer Wechselstrom.

Bei den bisherigen Realisierungen wurde die Kapazität des Ladekondensators so groß gewählt, daß die Spannung über diesem eine gut geglättete Gleichspannung ist. Die mit Frequenzen größer als 2 KHz betriebene Lampe stellt eine ohmsche Last dar und wird während des größten Teils einer Netzhalbwelle nur aus dem Ladekondensator gespeist. Nur im verbleibenden, kürzeren Teil der Netzhalbwelle fließt der Strom aus dem Netz über den Gleichrichter und lädt den Ladekondensator auf. Der Netzstrom ist daher nicht sinusförmig, sondern weist starke Oberwellen mit Fre­ quenzen, die Vielfache der Grundfrequenz sind, auf. Diese Oberwellen belasten das Netz und sind daher unerwünscht.

Bisher wurden solche Netzoberwellen durch ein großes L-C-Tiefpaßfilter vor oder mit einem Hochsetzsteller (Aufwärtswandler, Push-Pull-Schaltung) hinter dem Netzgleichrichter reduziert. Solche Maßnahmen sind aufwendig und erhöhten die Baugröße und das Gewicht des EVGs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schal­ tungsanordnung der eingangs beschriebenen Art zu schaf­ fen, bei welcher der Oberwellengehalt des Netzstroms mit einfachen Mitteln erheblich verringert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kapazität des Ladekondensators so klein bemessen ist, daß die Gleichspannung über dem Ladekondensator pulsiert und ihr Minimum unter ihrem halben Scheitelwert liegt. Dabei tritt also dann über dem Ladekondensator eine stark pulsierende Gleichspannung auf.

Wird nun in einer solchen Schaltungsanordnung die Kapa­ zität des Ladekondensators auf ca. 5% des Wertes, wie er in einem Gerät mit gut geglätteter Gleichspannung Ver­ wendung findet, herabgesetzt, dann hat die hochfrequente Rechteckspannung, mit der der Lampenkreis versorgt wird, eine Hüllkurve, die mit der Spannung über dem Ladekon­ densator netzfrequent pulsiert. Sinkt mit sich ändernder Netzphase in solch einer Halbbrückenschaltung der Momen­ tanwert der Spannung über dem Ladekondensator unter einen gewissen Wert U1 _min, so geht die Lampe aus. Es entsteht eine stromlose Lampenpause, in der das Lampenplasma entionisiert. Zum Wiederzünden der Lampe wird eine höhere Spannung als die Aussetzspannung U1 _min benötigt. Die Lampe flackert, es entstehen zusätzliche Lampenverluste durch das Wiederzünden, der abgegebene Lichtstrom und die Systemlichtausbeute sinken. Da näherungsweise der Schei­ telwert der Lampenbrennspannung Û4 in weiten Grenzen unabhängig vom Lampenstromscheitelwert ist, der mit der Niederfrequenz pulsiert, gilt in Näherung U1 _min = 2 Û4. Beispielsweise würde eine mit 50 KHz betriebene 13 W Kompaktleuchtstofflampe aussetzen, wenn U1 momentan unter ca. 170 V sinkt, das heißt etwa ein Drittel der Netz­ frequenzperiode wäre für den Lampenbetrieb nicht nutzbar. Um auf den gleichen Lichtstrom wie im Falle sehr viel größerer Kapazität des Ladekondensators C1 zu kommen, müßte der Lampenstrom im Netzmaximum mehr als verdoppelt werden. Da aber der Lichtstrom unterlinear mit der Strom­ dichte steigt, würde auch dies zu einer schlechteren Lichtausbeute beitragen.

Der Erfindung liegt daher die weitere Aufgabe zugrunde, bei bereits erheblich verringertem Oberwellengehalt des Netzstroms auch die gute Systemlichtausbeute (bei Nenn­ lichtstrom) durch einfache Modifikationen und Zusätze zu erhalten.

Die Lösung hierzu besteht darin, daß parallel zu der Entladungslampe ein nur zu Phasen niedriger Netzspannung in Verbindung mit der strombegrenzenden Drossel wirksamer Kondensator geschaltet ist, der dann in diesen Netzphasen eine ausreichende Lampenspannung zur Verfügung stellt.

Vorteilhaft bewirkt dabei der parallel zur Entladungs­ lampe geschaltete Kondensator im Falle eines selbst­ erregten Zerhackers einen ausreichenden Steuerstrom, wenn der halbe Momentanwert der pulsierenden Gleichspannung unter den Momentanwert der Lampenbetriebsspannung liegt.

Zweckmäßig bewirkt der parallel zur Entladungslampe geschaltete Kondensator in Verbindung mit der Vorheiz- und Zündschaltung einen ausreichenden Vorheizstrom und eine geeignete Zündspannung.

Bei einer beispielsweise aus der DE 33 01 108 A1 be­ kannten Schaltungsanordnung tritt zwar eine Kapazität parallel zur Lampe auf, es ist jedoch diese Kapazität nur zum Zünden der Lampe wirksam.

Durch die erfindungsgemäße Parallelschaltung des Konden­ sators C3 zur Lampe wird also das bei Verkleinerung der Kapazität C1 des Ladekondensators auftretende Problem des Aussetzens und Wiederzündens der Lampe beseitigt. Solange die Spannung über dem Ladekondensator U1 < 2 Û4 und der Lampenwiderstand R < 1/(ω C3) ist, wird der Lampenstrom durch die strombegrenzende Drossel mit der Induktivität L1 begrenzt. Wird bei niedrigerer Netzspannung R < 1/(ω C3), so stellt sich eine höhere Frequenz, die Resonanzfrequenz,

ω_o = 1/(L1 C3)^1/2,

ein und es tritt eine Überhöhung der Spannung über dem parallel geschalteten Kondensator durch Schwingresonanz auf. Dies verhindert ein vorzeitiges Verlöschen der Lampe. Von Vorteil ist auch, daß der parallel geschaltete Kondensator höherfrequente Anteile der rechteckförmigen Schwingkreiserregerspannung über der Lampe weitgehend unterdrückt und somit Strom- und Spannungsverlauf der Lampe sinusförmiger werden (kleinerer Crestfaktor) und damit die Lampenlebensdauer verlängert wird. Im Fall der Resonanz liegt ein Boucherot-Lastkreis vor; der Lampen­ strom ist proportional der Versorgungsspannung U1 und unabhängig vom Lampenwiderstand. Man kann die Lampe nun auch noch bei Spannungen U1, die deutlich kleiner als die Lampenspannung Û4 sind, ohne Strompausen betreiben. Zudem ergibt sich die Möglichkeit, durch Verkleinern des Kenn­ widerstandes,

Z_o = (L1/C3)^1/2/2,

bei unveränderter Resonanzfrequenz ω_o den Lampenstrom zu erhöhen und damit wenigstens teilweise die durch Verkleinern der Kapazität des Ladekondensators bedingte Lichtstromeinbuße zu kompensieren.

Wie voranstehend erläutert, verhindert beim Betrieb mit pulsierender Gleichspannung das Parallelschalten des Kondensators C3 zur Lampe das Aussetzen der Lampe, und es ist auch durch Herabsetzen des Kennwiderstandes die Lichtstromabnahme, bezogen auf den Betrieb mit sehr viel größerer Kapazität C1 des Ladekondensators, weitgehend zu kompensieren. Dadurch, daß der Scheitelwert und auch der über eine HF-Periode gebildete Effektivwert des hoch­ frequenten Lampenstroms der Sieb- oder Ladekondensator­ spannung U1 folgt, das heißt in der Umgebung des Minimums von U1 sehr kleine Werte annimmt, muß der Lampenstrom­ effektivwert in der Umgebung des Netzmaximums zum Licht­ stromausgleich wesentlich größer eingestellt werden. Dies bedingt erhöhte Verluste in den Schaltern und der Drossel und auch eine schlechtere Lichtausbeute um das Netz­ maximum herum, denn mit zunehmender Stromdichte werden durch Elektronenstöße nicht nur mehr Atome zum Strahlen angeregt, sondern auch durch Stöße zweiter Art vermehrt angeregte Atome deaktiviert. Zu solchen Verlusten addiert sich der zusätzliche Ionisierungsaufwand, der zum Anfahren der Lampe nach Überschreiten von U1 _min erfor­ derlich ist.

Eine Weiterbildung der Erfindung zur Verbesserung der Systemlichtausbeute besteht dementsprechend darin, daß eine Hilfsgleichspannungsquelle vorgesehen ist, die der pulsierenden Gleichspannung eine Hilfsspannung U_H überlagert, wenn die pulsierende Gleichspannung unter die Hilfsspannung absinkt.

Vorteilhaft wird dabei die Hilfsspannung durch Gleich­ richtung und Glättung aus der hochfrequenten Spannung über einem der elektronischen Schalter erzeugt und nur dann über einen Halbleiterschalter (Diode) an den Lade­ kondensator gelegt, wenn die pulsierende Gleichspannung unter die Hilfsspannung sinkt.

Die zusätzliche Hilfsgleichspannungsquelle zur erfin­ dungsgemäßen Verbesserung der Systemlichtausbeute verhindert, daß die Ladekondensatorspannung U1 und damit auch der Lampeneffektivstrom bei gegebener Kapazität C1 des Ladekondensators in einer Netzperiode zu stark ab­ fällt, wobei die Hilfsgleichspannungsquelle nur wirksam ist, das heißt über einen Halbleiterschalter dem Lade­ kondensator der Kapazität C1 parallel geschaltet wird, wenn U1 unter die Hilfsspannung U_H sinken würde. Die Hilfsspannung U_H ist so groß, etwa gleich der erwähnten Aussetzspannung U1 _min, zu wählen, daß durch die gerin­ gere Pulsation des Lampenstromeffektivwertes die System­ lichtausbeute etwa auf den ursprünglichen Wert angehoben wird, aber auch so klein zu halten, daß die Netzstrom­ pause hinreichend kurz bleibt, daß die Oberwellenanteile des Netzstromes vorgegebene Grenzwerte (z. B. nach IEC-Norm) nicht überschreiten. Im Hinblick auf die einge­ stellte Hilfsspannung U_H ist auch die Kapazität C1 des Sieb- oder Ladekondensators zu dimensionieren. C1 sollte genau so groß sein, daß, gibt man die Hilfsspannung U_H vor, bei Verkleinern von C1 die Netzstrompause konstant bliebe, bei Vergrößern von C1 aber die Strompause sich verlängerte. Es ist nicht sinnvoll, C1 kleiner als den durch solch eine Vorschrift bestimmten Optimalwert zu wählen, da dies den Aufwand, das Netz von hochfrequenten Anteilen zu entstören, heraufsetzen würde.

In diesem Zusammenhang zeigt z. B. die DE 31 06 209 A1 eine Vorrichtung zum Betreiben einer Entladungslampe, in der zur Lampenwirkungsgradverbeserung einer pulsierenden Spannung eine Hilfsgleichspannung überlagert und die resultierende Spannung auf einen Umformer zur Erzeugung einer die Lampe speisenden Hochfrequenzspannung gegeben wird. In dieser Schaltungsanordnung wird die Hilfs­ gleichspannung jedoch aus dem Netz durch Gleichrichten und kapazitives Glätten des Wechselstroms gewonnen. Diese Hilfsspannungsquelle erzeugt also je nach Dimensionierung des Glättungskondensators unterschiedlich große, in jedem Fall unerwünschte Netzoberwellen. Auch ist zum Abwärts­ transformieren der Niederfrequenz-Wechselspannung ein aufwendiger Transformator erforderlich.

Gemäß der Erfindung wird dagegen die Hilfsspannung - z. B. durch ein Dioden-Kapazitätsnetzwerk - aus der am Ausgang des Zerhackers zur Verfügung stehenden hochfrequenten Rechteckspannung über einem der elektronischen Schalter erzeugt. Der geringe Oberwellenanteil des Netzstromes wird im wesentlichen durch die relativ kurze Netzstrom­ pause verursacht, in der der Zerhacker und der Lastkreis aus der Hilfsgleichspannungsquelle gespeist werden.

Die Erfindung ist im folgenden an einem Ausführungs­ beispiel und anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein schematisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Schaltungsanordnung.

In der Zeichnung ist ein Vollweg-Gleichrichter 1 dar­ gestellt, der zum hochfrequenten Betrieb einer Gasent­ ladungslampe 4, insbesondere Leuchtstofflampe, mit einer Netzfrequenz-Wechselspannung U_N gespeist wird. Dem Vollweg-Gleichrichter 1 ist ein Ladekondensator C1 nach­ geschaltet. Die Kapazität des Ladekondensators C1 ist hinreichend klein derart bemessen, daß eine pulsierende Gleichspannung geliefert wird.

Weiter ist ein Zerhacker, gebildet aus einer Schalter­ ansteuerung 2 und zwei elektronischen Schaltern S1 und S2 in Halbbrücken-Schaltung, vorgesehen, während im Ausgang des Zerhackers ein Trennkondensator C2 liegt. Der Zer­ hacker wird fremdgetrennt oder selbsterregt. Im Falle der Selbsterregung liegt im Lastkreis eine den Laststrom detektierende Anordnung 6, die auf die Schalteranordnung wirkt (Stromrückkopplung). Der Zerhacker erzeugt aus der von dem Vollweg-Gleichrichter 1 und dem Ladekondensator C1 bereitgestellten pulsierenden Gleichspannung in Ver­ bindung mit dem ausreichend großen Trennkondensator C2 eine hochfrequente, symmetrische Rechteckspannung mit der halben Amplitude der pulsierenden Gleichspannung. Mit dieser Rechteckspannung wird über eine strombegrenzende Drossel L1 die Entladungslampe 4 betrieben. Parallel zur Entladungslampe 4 ist eine Vorheiz- und Zündschaltung 5 geschaltet.

Da bei solch einer Lampenbetriebsart unerwünschte Strom­ pausen auftreten und der Nennlichtstrom nicht oder nur mit einem schlechten Wirkungsgrad erreicht wird, ist parallel zur Entladungslampe 4 ein Kondensator C3 bzw. C3′ (sh. Figur) vorgesehen, der nur bei niedrigen Amplituden der pulsierenden Gleichspannung durch Bildung eines Serienresonanzkreises in Verbindung mit der in Reihe zu der Entladungslampe 4 geschalteten strombegren­ zenden Drossel L1 wirksam ist, das heißt ausreichende Lampenspannungen zur Verfügung stellt.

Weiter ist eine Hilfsgleichspannungsquelle 3 vorgesehen, die, gespeist aus der hochfrequenten Spannung über dem elektronischen Schalter S2, der pulsierenden Gleich­ spannung über einen Halbleiterschalter D1 eine ausrei­ chend große Hilfsspannung überlagert.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zum hochfrequenten Betrieb einer Gasentladungslampe, insbesondere Leuchtstofflampe, mit

• - einem Vollweg-Netzgleichrichter (1),
• - einem diesem nachgeschalteten Ladekondensator (C1),
• - einem fremdgesteuerten oder selbsterregten Zer­ hacker, bestehend aus
• - einer Schalteransteuerung (2) und zwei elek­ tronischen Schaltern (S1, S2) in Halbbrücken­ schaltung,
• - einem Trennkondensator (C2) im Ausgang des Zer­ hackers,
• - einem Lastkreis, bestehend aus einer Entladungslampe (4) und einer in Reihe zu der Entladungslampe (4) geschalteten strom­ begrenzenden Drossel (L1), und
• - einer Vorheiz- und Zündschaltung (5),

dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Ladekondensators (C1) so klein bemessen ist, daß die Gleichspannung über dem Lade­ kondensator (C1) pulsiert und ihr Minimum unter dem halben Scheitelwert der Netzspannung liegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Entladungslampe (4) ein nur zu Phasen nie­ driger Netzspannung in Verbindung mit der strombe­ grenzenden Drossel (L1) wirksamer Kondensator (C3) geschaltet ist, der dann in diesen Netzphasen eine ausreichende Lampenspannung zur Verfügung stellt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der parallel zur Entladungslampe (4) geschaltete Konden­ sator (C3) im Falle eines selbsterregten Zerhackers einen ausreichenden Steuerstrom bewirkt, wenn der halbe Momentanwert der pulsierenden Gleichspannung unter dem Momentanwert der Lampenbetriebsspannung liegt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der parallel zur Entladungslampe (4) geschaltete Kon­ densator (C3) in Verbindung mit der Vorheiz- und Zündschaltung (5) einen ausreichenden Vorheizstrom und eine geeignete Zündspannung bewirkt.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfsgleichspannungsquelle (3) vorgesehen ist, die der pulsierenden Gleichspannung eine Hilfsspannung überlagert, wenn die pulsierende Gleichspannung unter die Hilfsspannung absinkt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannung durch Gleichrichtung und Glättung aus der hochfrequenten Spannung über einem der elektro­ nischen Schalter (S2) erzeugt und nur dann über einen Halbleiterschalter (D1) an den Ladekondensator (C1) gelegt wird, wenn die pulsierende Gleichspannung un­ ter die Hilfsspannung sinkt.