DE4143488C2 - Elektronisches Vorschaltgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Vorschalt­ gerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Elektronische Vorschaltgeräte dieser Art sind beispielsweise aus EP 0 259 646 A1 bekannt.

Bei mit heizbaren Elektroden ausgerüsteten Leuchtstofflampen müssen bei einem Einschaltvorgang zunächst die als Heizwen­ deln gestalteten Elektroden ausreichend vorgeheizt werden, um die Leuchtstofflampe anschließend sicher und frei von Flackereffekten zünden zu können. Die ausreichende Vorheizung wird bei Leuchtstofflampen, bei denen der Lastkreis zu einem Serienresonanzkreis durch die der Leuchtstofflampe vor­ geschaltete Drossel und den ihr parallel geschalteten Konden­ sator gestaltet ist, dadurch sichergestellt, daß die Reso­ nanzfrequenz des Serienresonanzkreises über eine Veränderung des Kondensators während der Vorheizphase soweit erniedrigt wird, daß die an der Leuchtstofflampe auftretende Spannung die Zündspannung nicht erreicht. Sobald die Elektroden über die vom Wechselrichter gelieferte Hochfrequenzenergie ausrei­ chend vorgeheizt sind, wird durch Verändern des Kondensators die Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises in Richtung auf die Frequenz der hochfrequenten Energie des Wechselrich­ ters soweit verschoben, daß die Lampenspannung die Zündspan­ nung erreicht bzw. übersteigt und die Leuchtstofflampe sicher zündet. Bei dem bekannten Vorschaltgerät ist weiterhin ein Trennschalter vorgesehen, der in Reihe zur wirksamen Kapazi­ tät des Serienresonanzkreises liegt und den Heizwendelstrom unterbricht, sobald die Leuchtstofflampe gezündet hat.

Der veränderbare Kondensator kann entweder aus der Reihen­ schaltung zweier Kondensatoren oder aus der Parallelschaltung zweier Kondensatoren bestehen. Bei einer Reihenschaltung zweier Kondensatoren ist ein Kondensator während der Vorheiz­ phase von einem Schalter zu überbrücken, bei einer Parallel­ schaltung zweier Kondensatoren darf diese Parallelschaltung lediglich während der Vorheizphase wirksam sein. Dies wird durch einen Schalter gewährleistet, der in Reihe zu einem der beiden Kondensatoren angeordnet ist. Der Schalter selbst wird jeweils über ein Zeitglied angesteuert, das diesen bei jedem Einschaltvorgang nach einer vorgegebenen Zeit in den Sperrzu­ stand versetzt.

Die Realisierung eines solchen, von einem Zeitglied gesteuer­ ten Schalters bereitet erhebliche Schwierigkeiten, weil der Schalter einerseits hinsichtlich der für ihn zulässigen Span­ nungen an die im Lastkreis auftretenden Spannungen angepaßt sein muß und darüber hinaus sein Leistungsbedarf möglichst gering sein soll, um die hierdurch bedingten Verluste klein zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen über ein Zeitglied angesteuerten Schalter eines elektronischen Vor­ schaltgerätes der einleitend genannten Art eine weitere Lö­ sung anzugeben, die bei geringem technischen Aufwand und niedrigem Leistungsbedarf eine einwandfreie Schaltfunktion gewährleistet und darüber hinaus auch bei unmittelbar auf ein­ ander folgenden wiederholten Zündvorgängen die hierfür zu fordernde Warmstartfähigkeit aufrecht erhält.

Bei einem elektronischen Vorschaltgerät der eingangs genann­ ten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung geht davon aus, daß bei Verwendung eines an sich bekannten, einen hochohmigen Gate-Anschluß aufweisenden bipolaren Transistores, eines sogenannten IGBT (Isolated Gate Bipolar Transitor), eine praktisch leistungslose Ansteuerung des hierdurch realisierten Schalters möglich wird. Ferner wird es bei Versorgung der bistabilen Kippstufe der Zeit­ schaltung mit der Zwischenkreisspannung in außerordentlich vorteilhafter Weise möglich, den IGBT praktisch auf die Zwi­ schenkreisspannung hochzulegen, so daß er nur für relativ ge­ ringe Spannungen ausgelegt sein muß. Die Zeitverzögerung bzw. Ansprechschwelle des Zeitgliedes ist bei einfachem Schal­ tungsaufbau in vorteilhafter Weise so eingestellt, daß auch bei bauteilebedingtem minimalem Vorheizstrom die Leucht­ stofflampen sicher zünden. Die dem IGBT zugeordnete Be­ grenzerschaltung unterbindet ein Auftreten unzulässiger Span­ nungen mit Sicherheit. Die Wechselstromschaltfähigkeit des IGBT ist in einfacher Weise durch Verwendung einer Gleich­ richterbrücke realisiert, deren Brückenanschlußpaar für die Wechselspannung die Schalteranschlüsse bildet.

Zweckmäßige Ausgestaltungen des Gegenstandes nach dem Patent­ anspruch 1 sind in den weiteren Patentansprüchen 2 bis 5 an­ gegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, dabei zeigt

Fig. 1 in Form eines Blockschaltbildes ein elektronisches Vorschaltgerät mit einem Lastkreis, in dem parallel zu einer Leuchtstofflampe eine veränderbare Kondensatoranordnung liegt, die zusammen mit einer Drossel einen Serienresonanz­ kreis bildet,

Fig. 2 eine erste Grundschaltung für eine veränderbare Kon­ densatoranordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine zweite Grundschaltung für eine veränderbare Kon­ densatoranordnung nach Fig. 1,

Fig. 4 ein Frequenzdiagramm zur Erläuterung der Wirkungs­ weise der veränderbaren Kondensatoranordnung,

Fig. 5 einen wenigstens zwei Leuchtstofflampen aufweisenden Lastkreis mit einer beiden Leuchtstofflampen gemeinsamen ver­ änderbaren Kondensatoranordnung,

Fig. 6 eine erste Grundschaltung für eine gemeinsame Konden­ satoranordnung nach Fig. 5,

Fig. 7 eine zweite Grundschaltung für eine gemeinsame Kon­ densatoranordnung nach Fig. 5 und

Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel für eine aus Schalter und Zeitglied bestehende Zeitschaltung nach den Fig. 6 und 7.

Das Blockschaltbild eines elektronischen Vorschaltgerätes nach Fig. 1 weist einen Gleichrichter GL auf, der die ihm eingangsseitig zugeführte Netzwechselspannung und in eine Zwi­ schenkreisspannung uzw umformt, die hierbei die Betriebs­ gleichspannung für einen an den Gleichrichter GL angeschlos­ senen Wechselrichter WR darstellt. Ausgangsseitig ist an den Wechselrichter WR über einen Koppelkondensator CK ein Last­ kreis LS angeschaltet, der einen Serienresonanzkreis, beste­ hend aus einer Drossel L und einer veränderbaren Kondensa­ toranordnung CO, sowie eine Leuchtstofflampe LL aufweist, die der veränderbaren Kondensatoranordnung CO parallel geschaltet ist.

Die Leuchtstofflampe hat heizbare Elektroden HW, die bei ei­ nem Einschaltvorgang zunächst ausreichend vorgeheizt werden müssen, bevor die Lampe sicher und flackerfrei gezündet wer­ den kann. Um dies zu gewährleisten, wird die wirksame Kapazi­ tät der veränderbaren Kondensatoranordnung CO bei einem Ein­ schaltvorgang zunächst erhöht und damit der Abstand der Fre­ quenz fz der hochfrequenten Energie des Wechselrichters WR zu der momentanen Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises vergrößert. Dies hat die Wirkung, daß die an der Leucht­ stofflampe LL wirksame Lampenspannung u1 soweit erniedrigt wird, daß die Leuchtstofflampe LL nicht zünden kann. Sobald die Elektroden HW ausreichend vorgeheizt sind, wird die wirk­ same Kapazität der veränderbaren Kondensatoranordnung CO her­ abgesetzt und damit die Resonanzfrequenz des Serienresonanz­ kreises erhöht und besser an die Frequenz fz des Wechselrich­ ters WR angepaßt. Damit wird die Lampenspannung u1 soweit er­ höht, daß die Leuchtstofflampe LL sicher und flackerfrei zün­ det. Die Steuergröße für die Steuerung der veränderbaren Kon­ densatoranordnung CO wird dabei von der Zwischenkreisspannung uzw abgeleitet.

Die in Fig. 2 dargestellt Grundschaltung für eine veränder­ bare Kondensatoranordnung CO1 sieht zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren C1A und C2A vor. Hierbei ist dem Kondensator C2A ein Schalter SW parallel geschaltet, der über eine Zeit­ schaltung τ angesteuert wird. Der Kondensator C2A ist wesent­ lich kleiner als der Kondensator C1A, so daß im geschlossenen Zustand des Schalters SW die wirksame Kapazität des ver­ änderbaren Kondensators CO1 gegenüber der Reihenschaltung der beiden Kondensatoren vergrößert ist. Die Zeitschaltung τ wirkt so, daß zu Beginn eines Einschaltvorganges der Schalter SW1 sofort schließt. Erst im Anschluß an ein vorgegebenes, durch ein Zeitglied der Zeitschaltung τ bestimmtes Zeitinter­ vall, das eine ausreichende Vorheizung der Elektroden HW der Leuchtstofflampe LL nach Fig. 1 sicherstellt, wird der Schalter SW vom geschlossenen in den geöffneten Zustand umge­ steuert.

Wie Fig. 3 zeigt, kann die veränderbare Kondensatoranordnung CO auch als veränderbarer Kondensator CO2 mit Hilfe von zwei Kondensatoren C1B und C2B verwirklicht werden, wobei dem Kon­ densator C1B der Schalter SW in Reihe geschaltet ist. Auch hier ist der Schalter SW während der Vorheizphase geschlos­ sen, so daß sich die momentan wirksame Kapazität aus der Par­ allelschaltung der Kondensatoren C2B und C1B ergibt und damit größer ist als die bei geöffnetem Schalter SW alleine wirksa­ me Kapazität des Kondensators C2B.

Die Funktion der Umschaltung der veränderbaren Kondensatoran­ ordnung CO nach Fig. 1 bzw. CO1 oder CO2 nach den Fig. 2 bzw. 3 läßt sich anhand des Frequenzdiagrammes von Fig. 4 leicht ablesen. Mit Beginn eines Einschaltvorganges wird die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises durch Vergrößerung der Kondensatorkapazität, die parallel zur Leuchtstofflampe LL wirkt, auf die Resonanzfrequenz fr1 erniedrigt. Der Schnitt­ punkt der Frequenz fz des Wechselrichters mit der hinteren Flanke der Resonanzkurve K1 ermöglicht lediglich eine Erhö­ hung der Lampenspannung u1 über die Zwischenkreisspannung uzw auf die Spannung u0. Die Spannung u0 liegt wesentlich unter­ halb der Zündspannung uz. Sobald die Vorheizphase beendet ist und die Kapazität der veränderbaren Kondensatoranordnung CO, CO1 bzw. CO2 herabgesetzt wird, verschiebt sich die Resonanz des Serienresonanzkreises von der Resonanzfrequenz fr1 nach rechts zur Resonanzfrequenz fr2. Die hierdurch herbeigeführte Annäherung dieser Resonanz an die Frequenz fz des Wechsel­ richters verschiebt den Schnittpunkt der Frequenz fz auf dem hinteren Ast der Resonanzkurve K2 nach oben bis zur Zündspan­ nung uz und die Leuchtstofflampe zündet.

Die aus einem Schalter SW und einer Zeitschaltung τ gebildete Schaltung kann auch für einen Lastkreis verwendet werden, der aus zwei und mehr Leuchtstofflampen und einer entsprechenden Zahl von veränderbaren Kondensatoranordnungen besteht. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 5 im Blockschaltbild beispielhaft für zwei Leuchtstofflampen LL1 und LL2 dargestellt. Die ge­ meinsame Steuerung der den Leuchtstofflampen parallel liegen­ den Kondensatoren mittels einer Zeitschaltung findet in Fig. 5 ihren Ausdruck in der Zusammenfassung der beiden veränder­ baren Kondensatoranordnungen zu einer gemeinsamen veränderba­ ren Kondensatoranordnung CM. Entsprechend den Fig. 2 und 3 gibt es auch hier wieder zwei Grundschaltungen, nämlich die in Fig. 6 dargestellte Grundschaltung für eine veränderbare Kondensatoranordnung CM1 mit jeweils zwei in Reihe geschalte­ ten Kondensatoren C1A, C2A und die in Fig. 7 dargestellte Grundschaltung für eine veränderbare Kondensatoranordnung CM2 mit jeweils zwei zueinander parallel geschalteten Kondensato­ ren C1B und C2B. Der Schalter und das Zeitglied sind in den Fig. 6 und 7 wiederum mit SW bzw. τ bezeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel für eine Zeitschaltung τ in Verbin­ dung mit einem Schalter SW zeigt Fig. 8. Der Schalter SW enthält einen IGBT V1, beispielsweise vom Typ BUP 304 (Siemens), dessen Kollektor mit den Pluspolen und dessen Emitter mit den Minuspolen der Brückengleichrichter BGL1 bzw. BGL2 verbunden ist. Die dem Wechselstromanschlußpaar der Brückengleichrichter BGL1 bzw. BGL2 entsprechenden Anschlüsse stellen die Schalteranschlüsse dar, denen der Kondensator C2A parallel liegt. Sofern erforderlich, kann zur Spannungsbe­ grenzung zwischen den Plus- und Minuspolen der Brückengleich­ richter BGL1 bzw. BGL2 ein Varistor R12 geeigneter Bemessung parallel geschaltet sein. Zwischen dem Gate-Anschluß des IGBT V1 und den Minuspolen der Brückengleichrichter BGL1 bzw. BGL2 ist eine Begrenzerschaltung BR vorgesehen, die aus der Paral­ lelschaltung einer Zenerdiode D1, eines Kondensators C11 und eines Widerstandes R11 besteht.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Heizzeit so eingestellt, daß auch unter Berücksichtigung ei­ nes durch Bauteiltoleranzen bedingten, lediglich minimalen Heizstromes noch eine ausreichende Vorheizzeit gewährleistet ist. Die hier beispielhaft für den Betrieb zweier Leucht­ stofflampen LL1 und LL2 ausgelegte Schaltung weist auf der Kollektor-Emitterseite des IGBT V1 für jede veränderbare Kon­ densatoranordnung einen Brückengleichrichter BGL1 bzw. BGL2 auf. Diese sind auf seiten des IGBT V1 hinsichtlich ihrer Plus- bzw. Minuspole darstellenden Brückenanschlüsse einander parallel geschaltet, während ihre wechselstromseitigen Brückenanschlüsse jeweils die Schalteranschlüsse für eine veränderbare Kondensatoranordnung bilden. Es versteht sich von selbst, daß in analoger Weise auch mehr als zwei Leucht­ stofflampen in einem Lastkreis vorgesehen sein und gemeinsam angesteuert werden können.

Die Zeitschaltung τ weist eine Kippstufe auf, die aus den Transistoren V2 und V3 gebildet ist. Der Emitter des Transi­ stors V2 liegt über eine Reihenschaltung von Widerständen R31, R32 und R33 an der Zwischenkreisspannung uzw. Parallel zu der Emitter-Basisstrecke des Transistors V2 ist ferner ein Widerstand R34 und ein weiterer Kondensator C31 vorgesehen. Die Basis dieses Transistors V2 ist unmittelbar mit dem Kol­ lektor des weiteren Transistors V3 verbunden, dessen Emitter unmittelbar mit den Minuspolen der Brückengleichrichter BGL1 und BGL2 verbunden ist. Zur Basis-Emitterstrecke des Transi­ stors V3 parallel geschaltet sind ein Widerstand R35 und ein Kondensator C32. Weiterhin ist die Basis des Transistors V3 mit den Minuspolen der Brückengleichrichter BGL1 und BGL2 über eine Reihenschaltung, gebildet von einer weiteren Zener­ diode D2 sowie der Parallelschaltung eines Kondensators C33 mit einem Widerstand R37, verbunden. Dabei bilden der Konden­ sator C33 und die Widerstände R31, R36, R37 ein mit der Zenerdiode D2 zusammenarbeitendes Zeitglied, das über den aus den Wider­ ständen R31, R36 und R37 bestehenden Spannungsteiler von der Zwischenkreisspannung uzw angesteuert wird.

Einerseits wird die Zwischenkreisspannung uzw beim Einschal­ ten des Vorschaltgerätes über die Widerstände R31 und R32 so­ fort am Gate-Anschluß des IGBT V1 wirksam, so daß dieser lei­ tend wird und sich damit die über die Brückengleichrichter BGL1 und BGL2 realisierten Schalter schließen.

Andererseits bleiben die Transistoren V2 und V3 der Kippstufe zunächst gesperrt, weil sich der Kondensator C33 bei Auftre­ ten der Zwischenkreisspannung uzw über die Widerstände R31 und R36 erst auflädt. Sobald sich aber der Kondensator C33 auf das Potential der in Sperrichtung vorgespannten Zener­ diode D2 aufgeladen hat, wird diese leitend und damit der Transistor V3 von seinem gesperrten in den leitenden Zustand übergeführt. Das Leitendwerden des Transistors V3 bewirkt ei­ ne Verkleinerung des Gate-Emitterpotentials des IGBT V1 auf einen Wert, bei dem der IGBT V1 sperrt. Damit öffnen die durch die Wechselstromanschlußpaare der Brückengleichrichter BGL1 und BGL2 verwirklichten Schalteranschlüsse. Mit dem Lei­ tendwerden des Transistors V3 wird auch der Transistor V2 der Kippstufe leitend. In diesem leitenden Zustand hält sich da­ mit die Kippstufe V2, V3, solange das EVG eingeschaltet bleibt. Wird das EVG abgeschaltet, entlädt sich der Kondensa­ tor C33 primär über den Widerstand R37. Sobald dieser ausrei­ chend entladen ist, kann ein neuer Warmstart erfolgen.

Claims (6)

1. Elektronisches Vorschaltgerät für mit heizbaren Elektroden (HW) ausgerüstete Leuchtstofflampen (LL, LL1, LL2) mit einem Wechselrichter (WR), dem eingangsseitig eine Zwischenkreis­ spannung (uzw) in Form einer von einer Netzwechselspannung (un) abgeleiteten Betriebsgleichspannung zugeführt ist und der ausgangsseitig an einen Lastkreis (LS) angeschaltet ist, wobei

• - der Lastkreis (LS) wenigstens eine Leuchtstofflampe (LL bzw. LL1, LL2) aufweist, der jeweils eine Drossel (L) in Reihe sowie eine veränderbare Kondensatoranordnung (CO, CO1, CO2) parallel geschaltet ist,
• - die veränderbare Kondensatoranordnung aus wenigstens zwei Kondensatoren (C1A, C2A, C1B/C2B) in Reihen- oder Paral­ lelschaltung sowie einem über eine Zeitschaltung (τ) an­ steuerbaren Schalter (SW) besteht, der an die Kondensato­ ren derart angeschaltet ist, daß er durch einen Ein­ schaltvorgang unmittelbar leitend geschaltet, während der Vorheizzeit der Elektroden (HW) der Leuchtstofflampe die wirksame Kapazität der Kondensatoranordnung erhöht,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Schalter (SW) als ein einen hochohmigen Gate-An­ schluß aufweisender, bipolarer Transistor (V1) in Form eines IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) ausgebildet ist, dessen Gate-Anschluß eine von der Zwischenkreisspan­ nung abgeleitete Spannung zugeführt ist und dessen Emit­ ter-Kollektorstromkreis an einer Gleichrichterbrücke (BGL, BGL1, BGL2) zwischen deren einen Plus- bzw. einen Minuspol darstellenden Brückenanschlüssen liegt, während deren andere Brückenanschlüsse die Schalteranschlüsse für die Kondensatoranordnung bilden,
• - daß die Zeitschaltung (τ) eine mit der Zwischenkreisspan­ nung (uzw) versorgte Kippstufe (V2, V3) und bin dem Ein­ gang der Kippstufe vorgeschaltetes Zeitglied (R31, R36, R37, C33) mit einer vorgegebenen, die Vorheizzeit begrenzenden Verzögerungszeit aufweist, nach deren Erreichen die Kipp­ stufe den IGBT (V1) in den Sperrzustand überführt und
• - daß dem IGBT (V1) eine Begrenzerschaltung (BR) zugeordnet ist, die die zwischen Gate- und Emitteranschluß des IGBT (V1) wirksame Zwischenkreisspannung (uzw) auf einen vor­ gegebenen, zulässigen Wert begrenzt.

2. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Begrenzerschaltung (BR) aus der Paral­ lelschaltung einer Zenerdiode (D1) eines Kondensators (C11) und eines Widerstandes (R11) besteht.

3. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die eingangsseitige Steuergröße für das Zeitglied der Zeitschaltung (τ) von der Zwischenkreis­ spannung (uzw) abgeleitet ist.

4. Elektronisches Vorschaltgerät nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der über eine Zeitschaltung (τ) ansteuerbare Schalter (SW) der Kondensa­ toranordnung (CO, CO1 bzw. CO2) mindestens zwei Leucht­ stofflampen (LL, LL1 bzw. LL2) im Lastkreis (LS) des Wechsel­ richters (WR) dadurch gemeinsam zugeordnet ist, daß eine der Anzahl der Leuchtstofflampen entsprechende Anzahl von Brückengleichrichtern (BGL, BGL1 bzw. BGL2) in Parallelschal­ tung mit ihrem den Plus- bzw. Minuspol darstellenden Brücken­ anschlüssen im Kollektor-Emitterstromkreis des IGBT (V1) liegt, während ihre jeweils andere mit Wechselspannung beauf­ schlagten Brückenanschlüsse, paarweise Schalteranschlüsse für je eine der Kondensatoranordnungen bilden.

5. Elektronisches Vorschaltgerät nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die den Plus­ bzw. den Minuspol darstellenden Brückenanschlüsse des Brückengleichrichters (BGL, BGL1 bzw. BGL2) ein Varistor (R12) angeschaltet ist.