DE4123187A1 - Vorschaltgeraet zum pulsbetrieb von gasentladungslampen - Google Patents

Description

Die Anmeldung betrifft ein Vorschaltgerät zum Pulsbetrieb von Gasentladungslampen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Sie betrifft in gleicher Weise die Anwendung einer selbstschwingend oder fremdgesteuerten Halb- oder Vollbrückenschaltung, ebenfalls zum Pulsbetrieb von Gasentladungslampen.

Herkömmliche elektronische Vorschaltgeräte (EVG) dienen sowohl der verbesserten Helligkeitsregelung als auch einer erweiterten und schonenderen Zündmöglichkeit von Hoch- und Niederdruck-Gasentladungslampen (GE). Solche elektronische Vorschaltgeräte geben dabei eine Frequenz im Bereich 20 kHz bis 70 kHz an einen serienresonanten Lastkreis ab. Durch Verändern der Frequenz der Ausgangsspannung des EVG wird der Gleichstrom im Serienresonanzkreis kontinuierlich und stufenlos verstellbar. Die in dem Lastkreis angeordnete Gasentladungslampe kann somit stufenlos in ihrer Helligkeit verändert werden. Gleichzeitig kann durch Annähern der Ausgangsfrequenz des EVG an die Resonanzfrequenz des Lastkreises bei ungezündeter Lampe eine hohe Spannung an der Lampe erzeugt werden, die diese zum Zünden bringt.

Ermöglichen derartige EVG′s die komfortable Helligkeitsregelung und Zündung, so sind sie gleichwohl nicht dafür geeignet, die anderen Charakteristika einer Gasentladungslampe, wie Farbtemperatur oder Lichtausbeute (bewerteter Lichtstrom, Luman/Watt) zu verändern.

Dies wird dadurch erreicht, daß eine Gasentladungslampe bei zwei verschiedenen, wesentlich unterschiedlichen Stromstärken periodisch betrieben wird. Zum einen wird ein hoher Stromwert für eine gewisse Zeitdauer der Lampe eingeprägt, zum anderen erlaubt man der Lampe eine Erholzeit bei wesentlich geringerem Haltestrom. Dieser Zyklus wiederholt sich periodisch, so daß im Zeitmittel gewährleistet wird, daß die Lampe im leitenden Zustand bleibt und die Lampennennleistung PN aufnimmt. Durch Verändern der Dauer der jeweiligen Zeitintervalle und der Amplitude der Strompulse während eines jeden Zeitintervalles kann man die Gasentladungslampen, insbesondere die Hochdrucklampen in ihrer Farbtemperatur und Lichtausbeute verändern. Diese Veränderung setzt bislang jedoch voraus, daß zur Erzielung unterschiedlicher Stromstärken für den Hauptpuls und den wesentlich geringeren Haltestrom die im Lastkreis angeordneten Drosseln mechanisch durch zusätzliche Schalter umgeschaltet werden. Diese Schalter sind teuer, störanfällig und aufwendig.

Zur Lösung des veranschaulichten Problems wird mit der Erfindung daher vorgeschlagen, ein Umschalten der Drosseln zu vermeiden und lediglich eine einzige Drossel vorzusehen, diese aber über mindestens ein Schalterelement oder - Elementenpaar periodisch mit Wechelspannungsimpulsen zu versorgen, wobei die Wechselspannungsimpulse über ein Steuersignal frequenzmodulierbar sind. Damit wird eine Modulation der wirksamen Reaktanz des Lastkreises erzielt, wodurch der Laststrom, der auch durch die Gasentladungslampe fließt, gleichsam mit moduliert wird.

Eine weitere eigenständige Lösung des erläuterten Problems findet sich in der Anwendung der eingangs genannten Schaltungen zum Pulsbetrieb von Gasentladungslampen, vorzugsweise bei einer Pulsationsfrequenz im Bereich von 50 Hz bis 1000 Hz, wobei die Gasentladungslampe in einem Serienresonanz-Lastkreis angeordnet ist.

Hinter der erläuterten Lösung steht der Gedanke, die kurzzeitige Betriebsüberlastung der Lampen und die Haltestromphase über eine frequenzalternative, stufig oder sinusähnlich ausgebildete Frequenzveränderung zu steuern. Im Mittelwert wird der Leistungs-Nennwert erreicht, so daß die Lampe thermisch zwar nicht überlastet wird, jedoch die Lichtausbeute und ihre Farbtemperatur verändert werden können.

Ggf. könnte der Haltestrom auch entfallen, jedoch ist es zweckmäßig, ihn aufrechtzuerhalten, so daß die Lampe nach einem Hauptstrompuls nicht erneut gezündet werden muß. Auch erlaubt es eine nicht-sinusartige, sondern ähnlich geartete, jedenfalls dauernde Frequenzveränderung, störende stehende Wellen in der Lampe, die zu optischen Störungen bzw. zu unangenehmem Flackern führen, zu vermeiden.

Durch zusätzlichen Einfluß eines Pulsbreitenmodulators gemäß Anspruch 3 kann neben einer starken Veränderung der Frequenz im Rahmen der Frequenzmodulation gleichzeitig eine Pulsdauermodulation eingesetzt werden. Er erlaubt eine stetige Helligkeitsvariation der Lampe, da er durch Verändern der Einschaltzeiten die Amplituden der Stromstärken wesentlich verändern kann.

Ein zusätzlicher überraschender Effekt liegt hinsichtlich der Verlustleistung darin, daß bei hohem zu schaltendem Laststrom die zugehörige Schaltfrequenz gering ist und die hierzu frequenzalternative (hohe) Frequenz, bei der der Haltestrom in der Gasentladungslampe fließt, die Schalter nicht wesentlich belastet, so daß auch eine hohe Schaltfrequenz von ihnen ohne weiteres geleistet werden kann.

Bei der Dimensionierung der einzigen Reaktanz wird vorteilhaft eine solche Restwelligkeit des Lampenlaststromes i_L gewählt, daß gerade störende optische Wellen (Flackern) vermieden wird. Diese Grenzen liegen je nach Lampe zwischen 10% bis 30% und sind damit abhängig von dem jeweiligen Strommittelwert bzw Stromeffektivwert. Auch hier stellt sich die gewählte Frequenzalternation als überraschend vorteilhaft dar, da gerade bei hoher Frequenz f2 und bei aktivem geringfügigem Haltestrom eine geringe störende Welligkeit erforderlich ist, die durch die hohe Frequenz auch gewährleistet werden kann. Bei reduzierter Frequenz f1, steigt der Laststrom an, womit der Hauptstrompuls beginnt und die Stromwelligkeit steigt, dabei steigt auch der Strommittelwert, bzw. -effektivwert, was letztlich wieder die Einhaltung der erforderlichen Grenzwerte gewährleistet.

Vorteilhaft wird das erfundene Vorschaltgerät dadurch weitergebildet, daß die Modulationsform gemäß den Ansprüchen 2 bis 4 verschiedenartig, auch pulsbreitenmoduliert verändert wird. Besonders günstig ist der gemäß Anspruch 5 vorgesehene Polaritätwechsel, mit dem eine gleichmäßige Nutzung der Elektroden der Gasentladungslampe sichergestellt sind. Schaltungstechnische Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 7 und 8 niedergelegt. Die Zuordnung der Frequenzwerte zu den jeweiligen Stromstärken der Strompulse lehrt Anspruch 9.

Neben einem fremdgeführten Wechselrichter kann gemäß Anspruch 14 auch in Anwendung eines Serienresonanzkreises als Lastkreis ein selbstgeführter Wechselrichter herangezogen werden, dessen Modulationstiefe gemäß Anspruch 15 der Amplitudendifferenz zwischen Stromhauptpuls und Haltestrompuls entsprechen kann.

Vorteilhaft zeigen die Ansprüche 16 und 17 eine lampenfreundliche Zündmöglichkeit, die durch Eingriff einer Steuerschaltung gewährleistet wird, mit der für eine lampentypische und wählbare Zündzeit eine hohe wirksame Spannung an der Gasentladungslampe liegen kann.

Gemäß Anspruch 19 wird die Anwendung der selbst- oder fremdgesteuerten Halb- oder Vollbrückenschaltung gemäß dem eigenständigen erfinderischen Gedanken nach Anspruch 18 weiter dadurch ausgebildet, daß die beiden astabilen Betriebspunkte, der Hauptstrom- und der Haltestrompuls im Zeitmittel für eine lampentypische Nennleistung PN in der Gasentladungslampe sorgen.

Nachfolgend zeigen Ausführungsbeispiele Konkretisierungen der umschriebenen Erfindung; es zeigt

Fig. 1 eine erste Wechselrichterschaltung mit möglichen Lampentypen,

Fig. 2 eine zweite Wechselrichterschaltung in Halbbrückenschaltung mit denselben Lampentypen gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung mit umschaltbaren Frequenzquellen, die das Schalterelement zur Erzeugung der frequenzmodulierten Wechselspannungsimpulse ansteuern,

Fig. 4 ein Blockdiagramm für eine rechteckförmige Frequenzmodulation des Ausgangssignales eines Wechselrichters,

Fig. 5 einen Ausgangszweig eines selbstschwingenden - kapazitiv oder induktiv - rückgekoppelten Wechselrichters mit einem serienresonanten Lastkreis und einer Frequenzsteuer-Eingriffsmöglichkeit,

Fig. 6 bis Fig. 11 Diagramme von Strom- und Spannungsverläufen, aus den zuvor erwähnten Schaltungsbeispielen.

Fig. 1 zeigt ein typisches Erscheinungsbild einer mit vier Schalterelementen S1, S2, S3, S4 ausgestatteten Vollbrücke, die einen Lampen- Lastkreis, bestehend aus einer Drossel L1 und einer Gasentladungslampe GE, in ihrem Brückenzweig aus einer Gleichspannung U_dc=udc speist. Diese Gleichspannung kann aus einer Batterie gewonnen sein, sie kann ebenso eine gleichgerichtete und geglättete Wechselspannung z. B. die 220V/50 Hz Netzspannung sein. Als Lampenarten kommen die im rechten Teilbild der Fig. 1 gezeichneten Gasentladungslampen infrage, z.B eine Hochdruck- oder eine Niederdruck-Gasentladungslampe. Ebenso kann eine direkt, indirekt oder gar nicht beheizte Lampe Verwendung finden. Abhängig von der Verwendung einer der vorgenannten Lampenarten kann ein Zünd-Kondensator Einsatz finden. Dieser ist entweder parallel zu den Elektroden der unbeheizten Lampe GE zu schalten oder, sofern eine beheizte Lampe verwendet wird, in der üblichen Schaltungsart, bei der der Kondensator C1 jeweils einen Anschluß der gegenüberliegenden Heizwendeln verbindet.

Die Brückenschaltung wird nun in der Weise betrieben, daß die jeweils gegenüberliegenden Schalter S1, S4 und S2, S3 synchron miteinander geschaltet werden, so daß dem Lastkreis im Brückenzweig eine bipolare Wechselspannung hoher und steuerbarer Frequenz zuführbar ist.

Auf vergleichbare Weise arbeitet die Halbbrückenschaltung gemäß Fig. 2, bei der ein Schalterelementenpaar durch einen wechselspannungsmäßigen Mittelpunkt (mittels zweier Kapazitäten) ersetzt worden ist. Das verbleibende Schalterpaar S1, S2 wird hierbei jedoch nicht alternierend geschaltet, es wird jeweils nur einer der beiden Schalter für eine vorgesehene Stromrichtung im Lastkreis getaktet. Ist der Laststrom i_L positiv, so genügt ein Takten des Schalters S1; ist der Laststrom i_L negativn so muß lediglich der Schalter S2 getaktet werden. Wie in Fig. 1 sind hierbei selbstverständlich Freilaufdioden vorgesehen, die jeweils parallel zu den Schalterelementen vorgesehen sind - jedoch nicht eingezeichnet worden sind.

Fig. 3 zeigt einen Tiefsetzsteller, der aus vorbezeichneter Gleichspannung Udc über einen Schalter S1 den Lastkreis L1, GE mit Wechselspannungsimpulsen beaufschlagt und hierbei einen Laststrom i_L in der Lampe GE einprägt. Wie in den vorangegangenen Figuren ist auch hier lediglich eine einzige Drossel L1 vorgesehen. Die GE-Lampe kann auch auf verschiedene Weisen mit Zünd- bzw. Glättungskondensatoren beschaltet sein, zum einen parallel zu einer unbeheizten Gasentladungslampe oder zum anderen in Verbindung zweier gegenüberliegender Heizwendel. Die Glättung bzw. Zündung erfolgt über den bereits erwähnten Kondensator C1.

Weiterhin ist in Fig. 3 eine Zündansteuerung des Schalterelementes S1 schematisch skizziert, eine solche kann ebenso Anwendung finden für die vorangegangenen Figuren. Hierbei wird mit einer Modulationsfrequenz f jeweils eine von zwei Festfrequenzen f1, f2 ausgewählt und dem Schalterelement S1 über geeignete Ansteuermaßnahmen ggf. potentialfrei oder potentialverschobenen zugeführt. Die beiden Festfrequenzen f1, f2 sind diejenigen Frequenzen, die für einen Hauptpuls bzw. einen Haltestrompuls benötigt werden. So ist die Frequenz f1 in der Größenordnung von 20 kHz gewählt, dies stellt die geringe Frequenz dar, bei der dem Lastkreis der Hauptstrompuls zugeführt wird. Seine Stromamplitude beträgt zwischen 1A und 50A. Nach Umschalten über die Modulationsfrequenz f wird die höhere Frequenz f2 an das Schalterelement S1 geführt. Sie bewirkt den im Stromwert geringeren Haltestrompuls. Er liegt bei einer Frequenz von 120 kHz bis 200 kHz in einem Stromwertebereich von 50 mA bis 500 mA. Die Modulationsfrequenz f ist hierbei so gewählt, daß die Stromwerte als Hauptstrompuls und Haltestrompuls im Zeitmittel gerade der GE-Lampe die Nennleistung zuführen - obwohl der Hauptstrompuls ihr kurzzeitig eine wesentlich höhere Leistung zuführt, als die Nennleistung. Hierdurch wird der Effekt erreicht, daß die Hochdrucklampen in der Farbtemperatur und der Lichtausbeute veränderbar und verbesserbar sind, gleichzeitig aber ihre Nennlast nicht überschritten wird. Der Haltestrom, der auch als "keep alive current" bezeichnet wird, sorgt in der Erholphase der Lampe dafür, daß sie ionisiert bleibt, d. h. leitend bleibt, und bei erneutem Einsetzen des Hauptstrompulses keine neue Zündung vorgenommen werden muß.

Bisher unerwähnt blieben die Realisierungen der Schalterelemente S1, . . ., S4; sie werden in der Regel von Bipolartransistoren gebildet, allerdings sind ebenso MOS- FET-Transistoren oder RET-Transistoren einsetzbar.

Wie bereits die anhand von Fig. 3 erläuterte Steuerschaltung, zeigt nun Fig. 4 eine vergleichbar aufgebaute Steuerschaltung. Sie kann ebenso in den Schaltbeispielen gemäß Fig. 1 bis Fig. 3 Einsatz finden. Die Umschaltung der Festfrequenzen f1, f2 erfolgt hierbei unmittelbar über einen frequenzsteuerbaren Oszillator 10, dem das Steuersignal f - welches frequenzbestimmend ist - zugeführt wird. Ein solcher Oszillator kann ein VCO sein, die Höhe der Spannung f bestimmt die Ausgangsfrequenz f1, f2 des Oszillators 10. Auch kann die Form der Frequenzänderung, d. h. die Frequenzmodulation, einfacher verändert werden, z. B. sinusähnlich, dreieckförmig oder andere geeignete Formen annehmen. In Fig. 4 ist im linken Bildteil beispielhaft ein rechteckförmiger Verlauf der Frequenzmodulation gezeigt, er ist vergleichbar mit der Umschaltung der Festfrequenzen gemäß Fig. 3, da er so wirkt, daß alternativ entweder die Frequenz f1 oder die Frequenz f2 vom Oszillator 10 dem Wechselrichter 20 - der in einer der zuvor erläuterten Wechselrichterschaltungsarten aufgebaut ist - zugeführt wird. Der Wechselrichter 20 gibt die Wechselspannungsimpulse u_ac dann an den Lastkreis L1, GE ab und bewirkt in diesem einen Strom i_L, den es zu pulsen gilt.

Der Oszillator 10 wird in Fig. 4 noch durch eine monostabile Kippstufe 11 ergänzt, die eine Frequenzalternation, bzw. eine Frequenzmodulation über das Eingangssignal f für eine vorgegebene Zeitspanne TR zum Einschaltzeitpunkt unterbindet. Diese Unterbindung führt dazu, daß dem Wechselrichter eine vorbestimmte Festfrequenz, beispielsweise nur die Frequenz f2, zugeführt wird und dieses während der Zündungszeit TR. Die Zündungszeit kann im Bereich von einigen Millisekunden liegen und ermöglicht es, in der Lampe eine genügende Ionisation aufzubauen und sanft zu zünden. lampentypabhängig kann die Zündzeit TR dabei verändert werden, je nachdem, ob eine zündfreundliche oder eine weniger zündwillige Lampe eingesetzt wird.

Ein im Grunde gleichwirkendes Prinzip zeigt die Fig. 5. Hier wird ein selbstschwingender Wechselrichter eingesetzt, der einen serienresonanten Lastkreis, bestehend aus Kondensator C0, Drossel L1 und Gasentladungslampe GE, sowie gegebenenfalls einen Glättungskondensator C1 parallel zu letzterer, aufweist. Der serienresonante Lastkreis weist eine Resonanzfrequenz f0 in der Größenordnung von 25 kHz bis 30 kHz auf. Er wird aus dem - hier lediglich dargestellten - Ausgangszweig des selbstgeführten Wechselrichters (Resonanzumrichter) gespeist, der seinerseits die Nutzenergie aus der Versorgungsgleichspannung U_dc bezieht. Im Emitterkreis des unteren, der in Serie geschalteten Leistungstransistoren, ist ein veränderbarer Emitterwiderstand vorgesehen.

Die Veränderung des derart eingefügten Emitterwiderstandes erlaubt die gewünschte Frequenzmodulation, die bei einem serienresonanten Lastkreis zu einer Amplitudenmodulation des im Lastkreis fließenden Stromes i_L führt. Die Veränderung - auch Modulation - des Emitterwiderstandes kann wohl durch Parallelschalten von anderen Emitterwiderständen, als auch durch Überbrückung des Emitterwiderstandes oder durch Veränderung mittels parallelgeschaltetem Steuerelement (MOS- FET-Transistor T) erfolgen. Eine Veränderung des Ermitterwiderstandes bewirkt eine frühere oder spätere Sättigung eines - hier nicht eingezeichneten - induktiven Koppelelementes, das den Laststromkreis mit der Ansteuerung der Transistoren des Ausgangskreises verbindet. Seine Sättigung verändert sodann die Frequenz des selbstschwingenden Wechelrichters womit das Ziel erreicht wird, die Ausgangsfrequenz der Wechselspannungsimpulse des Wechselrichters zu modulieren.

Die Modulation kann in einer vorgegebenen Modulationstiefe erfolgen, die dann dem Hauptstrompuls und dem Haltestrompuls in den Fig. 1 bis 3 entspricht. Die Amplitudenmodulation erfolgt mit einer Frequenz von 50 Hz bis 1000 Hz, so daß sie für das Auge unsichtbar bleibt. Vorteilhaft ist hierbei, daß kontinuierlich eine Vielzahl von Frequenzen durchgestimmt werden, so daß eine spezifische Frequenz - wie bei der Frequenzalternation - nicht vorliegt und stehende Wellen, die zu optischen Wellen und zum Flackern der Lampen führen würden, außerordentlich gut vermieden werden.

Der Pulsbetrieb gemäß Fig. 5 wird also durch Pulsieren der einhüllenden des Ausgangsstroms mit einer Frequenz von 50 Hz bis 1000 Hz erreicht. Die Amplitudenmodulation, d. h. die Modulationstiefe, liegt im Bereich von 1:10 bis 1:1000.

Neben der erläuterten Möglichkeit der Veränderung des Emitterwiderstandes eines Ausgangstransistors des Ausgangszweiges kann die Frequenzmodulation auch durch Belastung einer Hilfswicklung oder einer Steuerwicklung des induktiv koppelnden Übertragers, der die Schwingung sicherstellt, bewirkt werden.

Die Zündung der Lampe erfolgt entweder durch Anheben der Frequenz in die Nähe der Resonanzfrequenz f0, durch wahlweise eingekoppelte Hochspannungsimpulse oder durch längeres Anstehen einer hohen Zündspannung an der Gasentladungslampe GE. Zusätzlich erlaubt eine Tastverhältnisänderung (Pulsbreitenmodulation) die Steuerung und Veränderung der Ausgangsleistung, sprich der Helligkeit. Ebenso kann eine solche Helligkeitsvariation durch Frequenzveränderung erfolgen.

Im Experiment wurde bei einer Schaltung gemäß Fig. 5 die Kurvenformen gemäß der Fig. 9 erzielt. Die Modulation der Frequenz erfolgt in einem Bereich von 20 kHz bis 70 kHz, wobei die Resonanzfrequenz des Lastkreises bei ca. 30 kHz liegt und die Modulation zwischen den vorbezeichneten Frequenzen während einer Zeitdauer von 20 mec bis 1mec (also zwischen 50 Hz bis 1 kHz) erfolgt.

Die Fig. 6 bis 11 zeigen nun Strom- und Spannungsverläufe, wie sie mit den soeben erläuterten Wechselrichtern 20 und den Steuerteilen 10 erreicht werden.

So zeigt die Fig. 6 den Pulsbetrieb der Gasentladungslampe deutlich durch einen Strompuls hoher Amplitude mit der Frequenz f1, welche in der Größenordnung von 20 kHz liegt. Hier wird der Lampe eine Leistung zugeführt, die erheblich oberhalb ihrer Nennleistung liegt, allerdings nur für ein kurzes Zeitintervall T1. Sodann wird die Frequenz alternierend oder moduliert auf die wesentlich höhere Frequenz f2 verändert, im Beispiel ca 120 kHz. Diese Frequenzalternation führt zu einem Absinken des Laststroms auf den nunmehr geringfügigen Haltestromwert während der Zeitdauer T2. Die beiden Zeitdauern T1 und T2 führen zu einer Periodendauer T, welche in der Größenordnung von 200 Hz bis 500 Hz liegt. Anschließen wird sich gemäß Fig. 6 wiederum ein Hauptstrompuls, der die vorbezeichnete Frequenz f1 während des Zeitintervalles T1 aufweist, anschließen. Ein solcher Stromverlauf gemäß Fig. 6 ist mit einer Steuerschaltung gemäß Fig. 4 und dem im linken Bildteil gezeigten Steuersignalverlauf f zu erreichen. Das Verhältnis der Stromstärken liegt im Bereich von 1:100 bis 1:1000, ihre Amplituden können sowohl durch Frequenzvariation f1, f2 als auch durch Pulsdauermodulation eines Pulsbreitenmodulators gemäß Fig. 3 verändert werden; jedenfalls bleibt die Lampe dabei in einem leitenden Zustand und wird nicht oberhalb ihrer Nennleistung im Zeitmittel betrieben.

Fig. 7 zeigt das mit Fig. 6 korrespondierende Diagramm des Wechselspannungsverlaufes am Ausgang des Wechselrichters und am Eingang des Lastkreises L1, GE. Hier wird noch einmal die Frequenzalternation deutlich, die nur schematisch dargestellt ist.

Die gezeigten Frequenzen und Frequenzverhältnisse entsprechend in ihrem Ausmaß nicht der im Schaltungsbeispiel der Fig. 5 tatsächlich erreichten Relation. Sie zeigen lediglich anschaulich den Wechsel der Frequenz und den dadurch erreichten pulsierenden Betrieb der GE-Lampe.

Fig. 8 zeigt ein mit dem Schaltungen der Fig. 1 oder Fig. 2 erreichbaren bipolaren Stromverlauf, der zur Lampenschonung beiträgt und eine gleichmäßige Nutzung der Elektroden erlaubt. Hier wird - wie in Fig. 6 - ein Hauptstrompuls und ein Haltestrompuls mit deutlich unterschiedlichen Stromamplituen eingeprägt, jedoch wird wechselnd, d. h. in jeder zweiten Periode T, das Vorzeichen des Stromes i_L invertiert. Dies wird beispielsweise mit der Schaltung gemäß Fig. 2 erreicht, indem das Takten des Schalterelementes S1 eingestellt wird, wodurch sich der Gleichstrom i_L auf Null abbaut. Sodann wird das Takten des Schaltelementes S2 begonnen, womit der Gleichstrom i_L sich in die inverse Richtung aufbaut. Beide Betriebsweisen sind möglich, ein Haltestrompuls kann in einen - im Vorzeichen umgekehrten - Hauptstrompuls übergeleitet werden, ebenso können Haltestrompulse und Hauptstrompulse, die jeweils unterschiedliche Stromrichtungen aufweisen, ineinander übergeleitet werden.

Fig. 9 zeigt den Stromverlauf, der bei einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 5 erzielt wird, hier insbesondere bei sinusähnlicher Modulation der Frequenz über das ebenfalls sinusähnliche Verändern des Emitterwiderstandes über einen Steuertransistor T; es führt zu der mit f3 in Fig. 9 bezeichneten Amplitudenmodulation im serienresonanten Lastkreis der Fig. 5. Auch hier gilt der Grundsatz, daß bei hohem Strom ein geringer Frequenzwert f1 und bei niedrigerem Strom i_L ein hoher Frequenzwert f2 vorliegt. Wiederum entsteht der vorteilhafte Effekt, daß bei hohen Strömen geringe Frequenzen zu schalten sind und bei geringen Strömen hohe Frequenzen vorliegen, womit die Verlustleistung der Endstufe des selbstschwingenden Oszillators reduzierbar ist.

Anders als in Fig. 6 oder Fig. 8 wird hier kein Gleichstrom getaktet, sondern ein originärer Wechselstrom im Lastkreis eingeprägt, die Änderung seiner Frequenz bewirkt eine Reduktion der Schwingungsamplitude und damit einen geringeren Effektivwert. Die für Fig. 6 und Fig. 8 gemachten Aussagen hinsichtlich des Stromamplitudenwertes gelten demnach hier analog für den Effektivwert.

Schließlich zeigen die Fig. 10 und 11 das Einwirken der Zündschaltung 11, die für eine vorgegebene Zeit TR eine hohe Spannung an die Lampe GE vom Wechselrichter 20 anlegen läßt. Die monostabile Kippstufe 11 unterbindet beim Einschalten zunächst die stationär vorgesehene Frequenzmodulation oder Frequenzalternation f1, f2, indem sie die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 20 und des Oszillators 10 auf einem vorbestimmten - geringen - Wert hält. Dieser Wert liegt in der Nähe der Resonanzfrequenz f0, womit der noch ungedämpfte - die Lampe hat noch nicht gezündet - Resonanzkreis hohe Zündspannung zur Verfügung stellt.

Gemäß Fig. 11 ist die Zündzeit TR deutlich reduziert. Es liegt eine GE-Lampe vor, die eine kürzere Zündzeit benötigt und so eine schnellere Zündung erlaubt. Nach erfolgter Zündung wird die Einwirkung der monostabilen Kippstufe 11 auf den Oszillator 10 aufgehoben, so daß der stationäre Betrieb, d. h. die Modulation und Pulsation des Stromes einsetzen kann. Die so erzielte Zündung entspricht einem Kaltstart. Wenn erwünscht, kann durch Einsetzen des Zündkondensators C1 gemäß Fig. 1 ein Warmstart vorgesehen werden.

Erlaubt der Pulsbetrieb von Gasentladungslampen eine Veränderung deren Charakteristika und eine Verbesserung ihrer Lichtausbeute, so wird dies gemäß den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis Fig. 3 - also bei selbstgeführten Wechselrichtern - durch Beibehaltung einer einzigen Drossel und alternierendem astabilen Wechsel zwischen zwei Frequenzen erreicht. Diese Frequenzmodulation führt zu einem Verändern der wirksamen Reaktanz L1, die einen Stromhauptpuls - bei geringer Frequenz - unter einen Haltestrompuls - bei hoher Frequenz f2 - bewirkt. Die jeweiligen Amplituden und Zeitdauern T1, T2 der Pulse sind z. B. im Verhältnis 60% zu 40% abgestimmt, daß im Zeitmittel T der Lampe die Leistung PN zugeführt wird. Der unmittelbaren Veränderung des Stromes durch Frequenzmodulation entspricht bei einem selbstgeführten Wechselrichter gemäß Fig. 5 die mittelbar erreichte Amplitudenmodulation, die durch Frequenzmodulation eines Wechselspannungssignales, das einem serienresonanten Lastkreis zugeführt wird, bewirkt wird. Diese amplitudenmodulations- oder amplitudenmodulationsähnliche Einhüllende f3 bildet den Pulsbetrieb der fremdgeführten Wechselrichter nach. Seine Maxima entsprechen den Hauptstrompulsen, seine Minima den Haltestrompulsen. Wird die Art der Frequenzmodulation geändert, z. B. von einer sinusähnlichen Modulation in eine rechteckförmige Modulation - durch schaltweise Veränderung des Emitterwiderstandes - so erfährt auch die Einhüllende f3 eine entsprechende Anpassung. Diese kann von einer Sinusform bis zu einer Rechteckform reichen.

Der im Laststrom durch die Glättungswirkung der Drossel verbleibende Helligkeitsanteil verdient besondere Beachtung. Er darf einem vorgegebenen Grenzwert, der von der Höhe des jeweils aktiven Strompulses abhängig ist, nicht überschreiten. Wenn die Frequenz erhöht wird, sinkt der Strom, gleichzeitig bewirkt die höhere Frequenz, daß die Regelgenauigkeit ausreicht, also die Grenzen des Welligkeitsanteiles nicht überschritten werden. Die Gelligkeitsamplitude bleibt damit im Verhältnis zum Gesamtstrom in etwa konstant bzw. liegt im tolerierbaren Bereich. Störende akustische sowie optische Wellen in der Lampe können gar nicht angeregt werden; die Lichtwirkung bleibt für den Betrachter gleichförmig, wie wenn eine herkömmliche EVG-Helligkeitssteuerung eingesetzt worden wäre.

Der Wahl des Drosselwertes L1 kommt ebenso Bedeutung zu, da er die Welligkeit, die gerade bestimmte Grenzen nicht überschreiten darf, bestimmt. Neben der Bestimmung des Drosselwertes kann aber auch durch Veränderung der Festfrequenzen f1, f2 - so in Fig. 3 - eine Anpassung an einen vorgegebenen Drosselwert erzielt werden, womit die Strompulse ihrer Höhe nach in weiten Grenzen und relativ frei einstellbar sind. So können die Drossel und die genannten Frequenzen in einer Weise gewählt werden, daß der Abstand der Welligkeitskomponente von dem kritischen Wert mehr oder weniger groß ist. Dies kann sich nach dem jeweiligen Einsatzort der Lampen richten. Wird die Drossel groß gewählt, so liegt eine geringe Welligkeitskomponente vor, dies findet seinen bevorzugten Anwendungsbereich in Arbeits- und Büroräumen. Wird als Einsatzort ein weniger empfindlicher Ort gewählt, so kann eine höhere Welligkeitskomponente zugelassen werden, was einen reduzierten Drosselwert - und damit geringere Kosten - bedeutet. Abhängig vom Einsatzort kann also eine weitgehende Ausnutzung des erlaubten Welligkeitsanteiles zugelassen werden So können Kosten und Baugröße für die Drossel reduziert werden.

Das zuvor bereits angedeutete gleitende Verschieben der Steuerfrequenz hin oder weg von der Resonanzfrequenz f0 zu Zünd- und Helligkeitsregelungszwecken ist im Detail nicht weiter erläutert. Es kann anwendungsspezifisch zusätzlich den hier beschriebenen Schaltungsanordnungen zum Pulsbetrieb von Lampen zugefügt werden. Dies hängt vom Anwendungsfall ab.

Claims (19)

1. Vorschaltgerät (EVG) zum Pulsbetrieb von Gasentladungslampen (GE-Lampe, GE) mit einer speisenden gepufferten Gleichspannung (Udc), der die Nutzleistung für die GE-Lampen entnehmbar ist, mit einer einzigen Reaktanz, vorzugsweise einer Drossel (L1), die zu der GE-Lampe in Reihe geschaltet ist, gekennzeichnet durch mindestens ein elektronisches Schalterelement (S1) oder mindestens ein solches Schalterelementenpaar (S1, S2, S3, S4), welche die Reaktanz (L1) und die GE-Lampe (GE) periodisch mit Wechselspannungsimpulsen (u_ac) versorgen, vorzugsweise Leistungstransistoren, wobei die Wechselspannungsimpulse (u_ac) über ein Steuersignal (f) frequenzmodulierbar (f1, f2) sind (Reaktanzmodulation).

2. Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzmodulation stufig frequenzalternativ (f1, f2) oder kontinuierlich periodisch erfolgt, insbesondere im wesentlichen rechteckförmig oder sinusähnlich ist (Modulationsform).

3. Vorschaltgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzmodulierten Wechselspannungsimpulse (u_ac) pulsbreitenmodulierbar sind, wobei das dem oder den Schalterelementen (S1, S2, S3, S4) zuführbare Ansteuersignal durch einen Pulsbreitenmodulator (PWM) beeinflußbar ist (erweiterte Modulation).

4. Vorschaltgerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei frequenzalternativem Steuersignal (f1, f2) die Modulation in der Weise erfolgt, daß dem Lastkreis (GE, L1) über die Schalterelemente (S1, S2, S3, S4) für ein vorgegebenes erstes Zeitintervall (T1) eine erste Frequenz (f1) zuführbar ist, vorzugsweise unterhalb 20 kHz, und für ein vorbestimmtes zweites Zeitintervall (T2) eine alternative (zweite) Frequenz (f2) zuführbar ist, vorzugsweise oberhalb 100 kHz, und daß die Frequenzalternation als Sonderfall der Frequenzmodulation nach Anspruch 1 mit einer Alternationsfrequenz (f3) erfolgt, die im Bereich von 200 Hz-500 Hz liegt (Frequenzalternation).

5. Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Lastkreis (L1, GE) eine bipolare Welchselspannung oder polaritätswechselnder Gleichstrom (i_L) zuführbar ist, dergestalt, daß für jeweils eine Periodendauer (T1 und T2) eines Alternationszyklus eine andere Polarität der frequenzalternativen Wechselspannungsimpulse (u_ac) anliegt oder eine andere Polarität des polaritätswechselnden Gleichstroms (i_L) im Lastkreis fließt (Polaritätswechsel).

6. Vorschaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der GE-Lampe (GE) ein Glättungskondensator (C1) parallelgeschaltet ist und/oder in dem Lastkreis (GE, L1) ein Serienkondensator (CO) eingefügt ist (Zündung/Glättung).

7. Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schalterelement (S1) als Tiefsetzsteller geschaltet ist, wobei eine Freilaufdiode (D1) vorgesehen ist, die den Laststrom (i_L) des Lastkreises (GE, L1) dann aufnimmt, wenn das Schalterelement (S1) nichtleitend ist (Schaltung I).

8. Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder zwei Schalterelemente (S1, S2, S3, S4) als Halb- oder Vollbrückenschaltung geschaltet sind, wobei ein Schalterpaar (S1, S2) jeweils aus zwei in Serie geschalteten Leistungshalbleitern, wie MOS-FET- oder Bipolartransistoren, besteht und jeweils parallel zu der speisenden Gleichspannung (Udc) geschaltet ist und wobei der Lastkreis (GE, L1) in dem Brückenzweig der Halb- oder Vollbrückenschaltung angeordnet ist (Schaltung II).

9. Vorschaltgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Lastkreis (GE,L1) stufig frequenzalternativ (f1, f2) Wechselspannungsimpulse zuführbar sind
wobei während einem ersten vorgegebenen Zeitintervall (T1) bei erster einstellbarer Frequenz (f1) dem Lastkreis ein erheblicher Strompuls (Hauptpuls), vorzugsweise 1A-50A, zuführbar ist und
wobei während eines zweiten Zeitintervalles (T2) in demselben Lastkreis (GE, L1) ein geringfügiger Strompuls (Haltestrompuls) bei zweiter einstellbarer Frequenz (f2), vorzugsweise 50 mA-500 mA, folgt (Strompulsen).

10. Vorschaltgerät nach Anspruch 9 oder Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strompulse während einer Periodendauer (T), die der Summe des ersten und zweiten Zeitintervalles (T1, T2) entspricht eine positive Polarität und während der darauffolgenden Periodendauer (T) eine negative Polarität aufweisen (Stromwenden).

11. Vorschaltgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden der jeweiligen Strompulse durch Variation der Frequenz (f1, f2) auf einen jeweiligen Lampentyp iVm einer gewählten Reaktanz (L1) einstellbar sind (Stromamplitude).

12. Vorschaltgerät nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden der jeweiligen Strompulse ( Hauptpuls, Haltestrompuls) durch Variation des Tastverhältnisses veränderbar ist (Helligkeit).

13. Vorschaltgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die während einer Periodendauer (T) der Lampe (GE) zugeführte Gesamtleistung (P) aus erheblichem und geringfügigem Strompuls die Nennleistung (P_N) dieser nicht überschreitet (Lichtausbeute).

14. Vorschaltgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die kontinuierlich periodische Frequenzmodulation über einen selbstgeführten Wechselrichter ausführbar ist, in dessen Lastkreis außer der GE-Lampe und der Drossel (L1) ein Serienkondensator (C1) eingefügt ist und
daß die vorgenannte Frequenzmodulation zu einer Amplitudenmodulation vorzugsweise im Bereich 50 Hz bis 1 kHz, des Lampenwechselstromes (i_L) führt und seine Modulationstiefe im Bereich 1:10 bis 1:1000 liegt (Resonanzwandler).

15. Vorschaltgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationstiefe im wesentlichen der Amplitudendifferenz aus Stromhauptpuls und Haltestrompuls (gemäß Anspruch 9) entspricht.

16. Vorschaltgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerschaltung (11) vorgesehen ist, die die Frequenzalternation oder sinusähnliche Modulation für einen vorgegebenen lampentypabhängigen Zeitraum (T_Reset=TR) unterdrückt und erst nach dem vorgegebenen Zeitraum (TR) die periodische Alternation oder Modulation (f1, f2) der Wechselspannungsimpulse (u_ac) freigibt (lampenfreundliche Zündmöglichkeit).

17. Vorschaltgerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (11) nach Art einer monostabilen Kippstufe jeweils zum Einschalt- bzw. Zündvorgang der GE- Lampe (GE) eingreift und ihren regulären Betrieb unbeeinflußt läßt, wobei der jeweilige anfängliche Eingriff für den vorgegebenen Zeitraum (TR) eine Frequenz f0) der Wechselspannungsimpulse (u_ac) bewirkt, die nahe der Resonanzfrequenz des Lastkreises (GE, L1) liegt (Eingriffswirkung).

18. Anwendung einer selbstschwingenden oder fremdgesteuerten Halb- oder Vollbrückenschaltung zum Pulsbetrieb von Gasentladungslampen (GE), vorzugsweise mit einer Pulsationsfrequenz (f) im Bereich 50 Hz bis 1 KHz, wobei die GE-Lampe in einem Serienresonanz-Lastkreis (GE, L1, C0) angeordnet ist.

19. Anwendung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsbetrieb einen astabilen Betriebspunkt bei erheblichem Hauptstrompuls (T1) und einen astabilen Betriebspunkt bei geringfügigem Haltestrompuls (T2) im Lastkreis (GE, L1, C0) aufweist,wobei die beiden astabilen Betriebspunke im Zeitmittel der GE-Lampe eine lampentypische Nennleistung (PN) zuführen.