DE4204020A1 - Stromversorgungseinrichtung fuer gasentladungslampen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung für Gasentla­ dungslampen und insbesondere für Neonröhren von Leuchtreklamen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Zum Betrieb der Neonröhren von Leuchtreklamen, die in der Regel an Gebäudefassaden angebracht sind, ist es bekannt, gebäudeseitig einen leistungsstarken, voluminösen Transformator vorzusehen, der die versor­ gungsseitige Netzspannung in eine Hochspannung der Größenordnung von 8 bis 10 kV transformiert. Diese Hochspannung wird über entsprechende Hochspannungskabel den einzelnen Neonröhren zugeführt.

Eine derartige Ansteuerung der Neonröhren ist aus verschiedenen Gründen nachteilig. Einerseits muß sekundärseitig eine Strombegrenzung vorhanden sein, da die gezündete Gasstrecke einen Widerstand von annähernd 0 auf­ weist. Darüberhinaus sind Hochspannungskabel aufgrund ihrer Isolation bei der Verlegung schwer handhabbar und weisen hohe Leitungskapazitä­ ten auf. Damit können Störstromspitzen in den Hochspannungskabeln auf­ treten, die zu einer Zerstäubung der Röhrenelektroden und damit ver­ ringerten Lebensdauer der Neonröhren führen können. Darüber hinaus tre­ ten durch die hohe zeitliche Strom- und Spannungsänderung häufig Über­ schläge bei den Hochspannungskabeln auf, die zu Erdschlüssen führen Weiterhin gehen von den Hochspannungskabeln nicht zu vernachlässigende Störungen aus.

Zur Realisierung einer sekundärseitigen Strombegrenzung wird gemäß DE-OS 14 89 317 eine Schaltungsanordnung für die Speisung von Gasentla­ dungslampen aus einer Wechselstromquelle unter Verwendung eines Kon­ stantspannungstransformators mit Strombegrenzereigenschaften vorgeschla­ gen. Die Sekundärwicklung dieses Konstantspannungstransformators besteht aus zwei Wicklungsteilen, von denen einer zusammen mit einem Kondensa­ tor einen Resonanzkreis bildet und der andere Wicklungsteil den Laststrom liefert. Mit Hilfe dieser Schaltung und durch eine entsprechende Ausle­ gung des Transformators läßt sich eine Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie erreichen, die nahezu rechteckförmig verläuft, womit der Ausgangsstrom auf den maximalen Stromwert im wesentlichen konstant gehalten wird.

Nachteilig bei der gezeigten Schaltungsanordnung ist die mangelnde Leer­ lauffestigkeit. Im Leerlauf, insbesondere bei einer defekten Röhre, tritt keine Dämpfung im Resonanzkreis auf, womit am Resonanzkondensator in diesem Zustand eine maximale Erhitzung zu verzeichnen ist. Diese kann zur Zerstörung des Resonanzkondensators führen.

Weiterhin wurde bereits vorgeschlagen, einzelne kleinere Transformatoren zu verwenden, von denen jeder jeweils einer Neonröhre zugeordnet und in den üblichen Reliefkörper beispielsweise eines Leuchtreklame-Buchstabens eingebaut ist. Zur primärseitigen Versorgung dieser Transformatoren wird die Netzspannung auf eine Kleinspannung von beispielsweise 12 V herun­ tertransformiert, gleichgerichtet und mit Hilfe eines elektronischen Schwingkreises eine relativ hochfrequente Wechselspannung in der Grö­ ßenordnung von beispielsweise 25 kHz erzeugt, die den Transformatoren primärseitig zugeführt wird.

Auch diese Konstruktion weist verschiedene Nachteile auf. Aufgrund der Spannungsbegrenzung der verwendeten Transformatoren ist keine genügende Spannungsreserve zur zuverlässigen Zündung der unterschiedlichen oder mehrfach in Reihe geschalteten Neonröhren vorhanden. Insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen, bei denen eine höhere Zündspannung erforderlich ist, ist eine zuverlässige Zündung der Neonröhren oft nicht gewährleistet. Darüberhinaus ergeben sich aufgrund der verwendeten Fre­ quenz der den Transformatoren zugeführten Spannung Probleme bei der Funkentstörung der Anlage, wobei auch höhenfrequente Oberwellen in Be­ tracht zu ziehen sind. Nicht zuletzt ist die zweimalige Spannungstrans­ formation aufwendig und führt zu unnötigen Verlusten beim Betrieb der Anlage.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Stromver­ sorgungseinrichtung derart weiterzubilden, daß mit Hilfe konstruktiv ein­ facher Schaltungsmaßnahmen ein zuverlässiger und extern möglichst stö­ rungsfreier Betrieb der Gasentladungslampen gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Dementsprechend können durch die Um­ schalteinrichtung, die aus üblichen, zuverlässig arbeitenden Halbleiter­ schaltern aufgebaut werden kann, ohne Zwischenschaltung von Transfor­ matoren Wechselspannungsimpulse einer Mittelfrequenz, also in einem Grö­ ßenordnungsbereich von 100 bis 1000 Hz, erzeugt werden. Vorzugsweise werden Wechselspannungsimpulse einer Mittelfrequenz von 400 bis 500 Hz (Anspruch 2) erzeugt. Durch Verwendung einer der Netzspannung entspre­ chenden Gleichspannung und die eingesetzte Mittelfrequenz bei den Wech­ selspannungsimpulsen wird ein günstiger Kompromiß in verschiedener Hin­ sicht erreicht. So kann aufgrund des primärseitig verwendeten Spannungs- und Frequenzniveaus mit klein bauenden Transformatoren sekundärseitig eine ausreichend hohe Spannung zur Zündung und zum Betrieb der Neon­ röhren erzeugt werden. Darüber hinaus wird durch die Verwendung der Umschalteinrichtung gegenüber dem geschilderten Stand der Technik die Zwischenschaltung einer Transformatorstufe eingespart. Weiterhin läßt die verwendete Mittelfrequenz kaum Probleme mit einer Funktentstörung erwar­ ten.

Zusammenfassend liegt der Haupteffekt der vorliegenden Erfindung darin, daß unter Vermeidung der zum Stand der Technik genannten Nachteile so kleinvolumige Transformatoren eingesetzt werden können, daß diese direkt in die Reliefkörper von Neon-Leuchtreklamen einbaubar sind.

Im Anspruch 3 ist eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Umschalt­ einrichtung in Form einer H-Schaltung mit CMOS-Schalttransistoren ange­ geben. Diese Schaltung ist mit besonders geringem Schaltungsaufwand und unter Einsatz preiswerter, äußerst zuverlässiger und einen geringen Ener­ giebedarf aufweisender Halbleiter-Schaltelemente realisierbar. Alternativ zu den CMOS-Schalttransistoren können auch sogenannte IGBT′s (insulated gated bipolar transistor) oder Thyristoren verwendet werden. Letztere be­ nötigen jedoch eine Spannungsunterbrechung damit sie nach ihrer Zün­ dung wieder gelöscht werden können.

Im Zusammenhang mit der H-Schaltung ist darauf hinzuweisen, daß die beiden Schalter in einem H-Schenkel durch zwei Kondensatoren ersetzt werden können. Eine solche H-Schaltung ist jedoch nur für Kleinleistungen geeignet.

Durch die im Anspruch 4 angegebene zeitliche Ansteuerung der Schalttran­ sistoren wird zuverlässig verhindert, daß die am Eingang der H-Schaltung anliegende Gleichspannung über die beiden in einem H-Schenkel der H-Schaltung angeordneten Schalttransistoren kurzgeschlossen wird.

Durch die im Anspruch 5 angegebene primärseitige Reihenschaltung der den Gasentladungslampen jeweils zugeordneten Transformatoren werden die von der Schaltung bereitzustellenden Spannungsreserven erheblich redu­ ziert. Es muß nämlich nicht für jeden Transformator eigens eine Span­ nungsreserve zur Verfügung stehen, sondern es genügt, daß eine solche Spannungsreserve gemeinsam für alle Transformatoren bereitsteht. Die Spannungsreserve kann bei Inbetriebnahme einer Leuchtreklame mit einer Vielzahl von Neonröhren gewissermaßen von Transformator zu Transforma­ tor der einzelnen Neonröhren weitergegeben werden, so daß je nach Span­ nungsbedarf bei der Zündung der einzelnen Röhren eine zeitlich aufein­ anderfolgende Zündung der Röhren stattfindet.

Die in den Ansprüchen 6 und 7 angegebenen Maßnahmen erlauben eine schaltungstechnisch einfache Stromregelung und -begrenzung auf der Pri­ märseite der Stromversorgungseinrichtung. Damit ist auch der Sekundär­ strom begrenzt und insbesondere auf einen konstanten Wert einregelbar, der in einfacher Weise an unterschiedlichere Gesamtlängen der in einer Leuchtreklame verwendeten Neonröhren angepaßt werden kann. Damit läßt sich eine gleichmäßige Helligkeit der Röhren erreichen. Durch die elek­ tronische Stromregelung kann die Stromstärke darüberhinaus optimal an verschiedene Betriebsbedingungen angepaßt werden. So kann beispielsweise bei niedrigen Umgebungstemperaturen durch Einstellung eines höheren Ausgangsstromes eine schnellere Erwärmung der Neonröhren erreicht wer­ den.

Im Anspruch 8 ist eine die Betriebssicherheit der Stromversorgungsvor­ richtung fördernde Leerlaufüberwachungseinheit angegeben, deren Überwa­ chungselektronik vorteilhafterweise zusammen mit der Steuerelektronik für die H-Schaltung und die Phasenanschnittsteuerung in eine gemeinsame Elektronikeinheit zusammengefaßt werden kann.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind der nach­ folgenden Beschreibung entnehmbar, in der ein Ausführungsbeispiel an­ hand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Stromversorgungsein­ richtung,

Fig. 2 ein Schaltbild der Umschalteinrichtung der Stromversorgungsein­ richtung gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufes der Ausgangsspannung der Umschalteinrichtung gemäß Fig. 2.

Die in Fig. 1 dargestellte Stromversorgungseinrichtung weist eine netz­ abhängige Stromversorgungseinheit 1, eine dieser nachgeschaltete Um­ schalteinrichtung 2, mehrere primärseitig mit dem Ausgang der Umschalt­ einrichtung 2 in Reihe verbundene Transformatoren 3 sowie eine Elektro­ nikeinheit 4 auf. Die gezeigte Steuervorrichtung dient zur Zündung und zum Betrieb mehrerer Neonröhren 5, die in den Reliefkörpern nicht darge­ stellter Leuchtreklame-Buchstaben angeordnet sind. Die Neonröhren 5 sind elektrisch jeweils mit den Sekundärseiten der Transformatoren 3 verbun­ den, die wiederum als Einbautransformatoren ebenfalls direkt in die Re­ liefkörper der Leuchtreklame-Buchstaben eingebaut sind. Mit der gezeigten Stromversorgungseinrichtung können beispielsweise 10 bis 12 Neonröhren betrieben werden.

Die Stromversorgungseinheit 1 weist eingangsseitig eine übliche Phasenan­ schnittsteuerung 6 zur Stromregelung auf. Das Steuerteil 7 der Phasenan­ schnittsteuerung 6 ist in die Elektronikeinheit 4 integriert. Darüber hinaus ist in der Stromversorgungseinheit 1 eine Drossel zur Strombegrenzung vorgesehen, die auch für eine Entlastung des TIRIAC′s der Phasenan­ schnittsteuerung 6 dient.

Der Phasenanschnittsteuerung 6 nachgeordnet ist in der Stromversorgungs­ einheit 1 weiterhin eine Gleichrichterstufe 8 vorgesehen, die die Netz­ spannung in eine entsprechende Gleichspannung umwandelt.

Es ist anzumerken, daß eine Stromregelung auch mit Hilfe eines weiteren, als variabler Widerstand dienenden MOSFET′s realisiert werden kann, der zwischen der Gleichrichterstufe 8 und der Umschalteinrichtung 2 angeord­ net ist. Allerdings ist der Phasenanschnittsteuerung 6 demgegenüber der Vorzug zu geben, da sie z. B. weniger hochkapazitive Kondensatoren benö­ tigt.

Die Umschalteinrichtung 2 wandelt die erzeugte Gleichspannung in Wech­ selspannungsimpulse einer Mittelfrequenz von etwa 400 bis 500 Hz um. Wie aus Fig. 2 deutlich wird, ist diese Umschalteinrichtung 2 aus einer H-Schaltung aus vier CMOS-Schalttransistoren in Form von MOSFET′s 9, 10, 11,12 aufgebaut, wobei jeweils zwei MOSFET′s 9, 10 bzw. 11, 12 in Reihe geschaltet jeweils einen der H-Schenkel 13, 14 bilden. Der Mittenabgriff 15 dieser H-Schaltung bildet den Ausgang der Umschalteinrichtung 2, der mit den Primärseiten der Transformatoren 3 verbunden ist.

Zur Ansteuerung der MOSFET′s 9, 10, 11, 12 dient die ebenfalls in die Elektronikeinheit 4 integrierte Oszillator-Einheit 16, mit deren Hilfe die jeweils wechselseitig gegenüberliegenden MOSFET′s 9, 12, bzw. 10, 11 paarweise während eines Einschalt-Intervalles t_E durchgeschaltet werden. Wie aus Fig. 3 deutlich wird, werden damit am Mittenabgriff 15 der H-Schaltung während aufeinanderfolgender Einschaltintervalle t_E Wechsel­ spannungsimpulse 17 positiver bzw. negativer Polarität erzeugt. Die zeit­ liche Ansteuerung der MOSFET-Paare 9, 12, bzw. 10, 11 erfolgt dabei so, daß während eines gemeinsamen Ausschaltintervalls t_A zwischen den Wech­ selspannungsimpulsen 17 die gesamte Anordnung sperrt und damit am Mit­ tenabgriff 15 keine Spannung anliegt. Durch diese Ausschaltintervalle t_A wird verhindert, daß gleichzeitig die beiden MOSFET′s 9, 10 bzw. 11, 12 in einem H-Schenkel 13 bzw. 14 durchschalten und damit die Gleichrichter­ stufe 8 kurzgeschlossen wird.

Die den Transformatoren 3 primärseitig aufgegebenen Wechselspannungsim­ pulse 17 werden auf Hochspannung transformiert, womit die Neonröhren 5 gezündet und betrieben werden können. Die Transformatoren weisen ein Übersetzungsverhältnis von 1:50 auf. Durch die eingangsseitige Stromrege­ lung werden sie mit einem konstanten Primärstrom von 3,9 bis 4 A betrie­ ben.

In die Stromversorgungseinrichtung ist eine Leerlaufüberwachungseinheit integriert, die wie folgt aufgebaut ist (siehe Fig. 1):

Jeder Transformator 3 weist primärseitig eine Tertiär- oder Hilfwicklung 18 auf. Alle Hilfswicklungen 18 sind zueinander parallel geschaltet und über Dioden 19 entkoppelt. Die Hilfswicklungen 18 sind mit der Überwa­ chungselektronik 20 in der Elektronikeinheit 4 verbunden, die einen (nicht dargestellten) Thyristor in der Stromversorgungseinheit 1 steuert.

Ist eine entsprechende Neonröhre 5 intakt, so wird der Trafo normal be­ lastet und es stellt sich eine Primärspannung von ca. 20 V ein. Diese Primärspannung wird von der entsprechenden Hilfswicklung 18 erfaßt, die darin induzierte Spannung ist so niedrig, daß die zugeordnete Diode 19 sperrt.

Ist eine entsprechende Neonröhre 5 defekt, so läuft der entsprechende Transformator 3 lastlos und nimmt den Leerlaufstrom auf. Damit stellt sich eine höhere Primärspannung ein, die in der entsprechenden Hilfs­ wicklung 18 induzierte Spannung wird entsprechend höher und die zu­ geordnete Diode 19 wird leitend. Damit wird also ein Signal an die Überwachungselektronik 20 abgegeben, die den ihr zugeordneten Thyristor in der Stromversorgungseinheit 1 zündet und die gesamte Stromversorgungseinrichtung abschaltet. Der Thyristor bleibt so lange gezündet, bis die Anlage durch Abtrennen vom Netz stromlos gemacht wird.

Es ist darauf hinzuweisen, daß ähnlich der Leerlaufüberwachung auch eine übliche Erdschlußüberwachung auf der Sekundärseite der Transforma­ toren 3 vorgesehen sein kann.

Claims (8)

1. Stromversorgungseinrichtung für Gasentladungslampen, insbesondere für Neonröhren (5) von Leuchtreklamen mit einer netzabhängigen Stromver­ sorgungseinheit (1) und mehreren jeweils einer oder mehreren Gasentla­ dungslampe (Neonröhre 5) zugeordneten Transformatoren (3), insbesondere Einbautransformatoren, gekennzeichnet durch eine der Stromversorgungs­ einheit (1) zugeordnete Gleichrichterstufe (8) zur Erzeugung einer der Netzspannung entsprechenden Gleichspannung und eine zwischen die Gleichrichterstufe (8) und die Transformatoren (3) geschaltete Umschalt­ einrichtung (2) zur Umwandlung der Gleichspannung in Wechselspannungsimpulse (17) einer Mittelfrequenz.

2. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelfrequenz einen Wert von 400 bis 500 Hz aufweist.

3. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Umschalteinrichtung (2) eine H-Schaltung mit CMOS- Schalttransistoren (MOSFET′s 9, 10, 11, 12) aufweist, die eingangsseitig mit der Gleichrichterstufe (8) und deren ausgangsseitiger Mittenabgriff (15) mit den Primärseiten der Transformatoren (3) verbunden sind.

4. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalttransistoren (MOSFET′s 9, 10, 11, 12) der H-Schaltung wechsel­ seitig paarweise über eine Steuerelektronik (Oszillator-Steuereinheit 16) derart zeitlich ansteuerbar sind, daß zwischen dem Einschaltintervall (t_E) des einen Schalttransistorpaares (MOSFET′s 9, 11) und dem darauffolgenden Einschaltintervall (t_E) des anderen Schalttransistorpaares (MOSFET′s 10, 12) ein gemeinsames Ausschaltintervall (t_A) liegt.

5. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die den Gasentladungslampen (Neonröhren 5) zugeordnete Transformatoren (3) primärseitig in Reihe geschaltet sind.

6. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungseinheit (1) mit einer Phasenanschnittsteuerung (6) zur Stromregelung versehen ist.

7. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß eingangsseitig eine Drossel zur primärseitigen Strombegrenzung vorgesehen ist.

8. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ge­ kennzeichnet durch eine Leerlaufüberwachungseinheit mit tertiären Hilfs­ wicklungen (18) auf jeweils einer Primärwicklung der Transformatoren (3), welche Hilfswicklungen (18) parallel geschaltet, mittels Dioden (19) entkoppelt und gemeinsam mit einer Überwachungselektronik (20) verbun­ den sind, mittels derer aufgrund eines Leerlaufsignals einer der Hilfs­ wicklungen (18) die Stromversorgungseinrichtung mit Hilfe eines Halb­ leiterschalters abschaltbar ist.