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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät für eine Gasentladungslampe und
insbesondere den in dem Vorschaltgerät verwendeten Sperrwandler,
der den diesem nachgeschalteten Wechselrichter mit einer Gleichspannung
versorgt, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Ein derartiges Vorschaltgerät ist aus der
EP 268 043 A2 bekannt.
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Sperrwandler
bestehen aus mindestens drei Bauteilen (vgl. Tietze, Schenk: "Halbleiterschaltungstechnik", (Springer-Verlag
9. Auflage, 1991, Seite 563 ff.), nämlich einem Leistungsschalter,
einer Speicherdrossel und einem Glättungskondensator. Solche Schaltungen
werden vorgesehen, um einem Wechselspannungsnetz einen möglichst
sinusförmigen
Strom zu entnehmen, wodurch in das Netz eingespeiste hochfrequente
Störungen
weitgehend vermieden werden sollen.
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Bei
den bisherigen Sperrwandlern werden durch abwechselndes Ein- und
Ausschalten des Leistungsschalters dem Netz Pakete dreieckförmiger Stromimpulse
entnommen (vgl.
EP
0 268 043 A2 ), die in der Speicherdrossel zwischengespeichert
und während
der Ausschaltzeitdauer an den Kondensator übertragen werden. Die Schaltfrequenz
des Leistungsschalters wird dabei um ein Vielfaches höher gewählt, als
die Frequenz der Netzspannung.
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Nachteilig
bei der bekannten Schaltungsanordnung ist einerseits die Ansteuerung
des Leistungsschalters, die zum Zeitpunkt des größten durch den Schalter fließenden Stroms
umschaltet, was zu hohen Schaltverlusten führt, andererseits verschieben
diese dreieckförmigen
Stromimpulse nach Fourier den Schwerpunkt des Frequenzspektrum der Stromimpulse
in Richtung seiner hochfrequenten Anteile, die als Störungen ins
Netz zurückstrahlen
werden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Sperrwandler
anzugeben, dessen Schaltverluste niedriger sind und dessen ins Netz
zurückgestrahlten
Störungen
gering ausfallen, ohne aufwendige Filterschaltungen verwenden zu
müssen.
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Diese
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1
gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Dabei
zeigen
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1 ein
erfindungsgemäßes Vorschaltgerät mit freischwingendem
Wechselrichter und Lastkreis;
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2a,
b die Steuersignale für
die beiden Schalter des Wechselrichters in schematisierter Form
mit unbeeinflußtem
Tastverhältnis,
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3a,
b die Steuersignale für
die beiden Schalter des Wechselrichters in schematisierter Form,
wobei das Tastverhältnis
eines Schalters verändert
ist; und
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4 den
Verlauf des durch den Schalter des Sperrwandlers fließenden Stroms.
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1 zeigt
den kompletten Aufbau eines erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts. Die
Schaltung selbst wurde zur Erleichertung in fünf funktionelle Blöcke A-E
aufgeteilt.
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Block
A zeigt eine Gleichrichterschaltung mit vier Dioden 301–304,
die als Brückenschaltung
angeordnet sind. Die an den Eingängen 305, 306 der Gleichrichterschaltung
anliegende Netzwechselspannung wird in eine gleichgerichtete Wechselspannung
umgeformt. Die gleichgerichteten Netzhalbwellen am Ausgang des Gleichrichters
A speisen einen Sperrwandler B, der an seinem Ausgang eine Gleichspannung
zur Verfügung
stellt, dessen Spannungswert zumeist über dem Spannungswert der Netzspannung
liegt.
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Zwischen
den beiden Eingängen
des Sperrwandlers B liegt eine Serienschaltung aus einer Spule 307,
einem Schalter 308, vorzugsweise einem Transistor oder
Feldeffekttransistor, und einem Kondensator 309. Parallel
zu dem Kondensator 309 ist eine Spule 310 sowie
eine Reihenschaltung aus einer Diode 311 und einem Kondensator 312,
an dem die Ausgangsspannung des Sperrwandlers B abfällt, angeordnet.
Auf im Sperrwandler B ferner enthaltenen Widerstände 315–317, 331, 332, 350, 351 wird später eingangen.
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Wird
der Schalter 308 leitend geschaltet, durchfließt diesen
normalerweise ein sinusförmiger Strom,
dessen Frequenz von der Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises,
der durch die Spule 307 und den Kondensator 309 gebildet
wird, bestimmt ist. Dabei werden diese Bauelemente so ausgewählt, daß die Resonanzfrequenz
um ein Vielfaches höher liegt
als die Netzfrequenz der Eingangsspannung des Gleichrichters. Die
maximale Amplitude des sinusförmigen
Stroms wird durch die Güte
des Serienschwingkreises definiert. Erfindungsgemäß möchte man
jedoch nur halbsinusförmige,
mit Abstand hintereinandergereihte Stromimpulse aus dem Netz entnehmen.
Dies erfolgt mit Hilfe des Schalters 308, dessen Ansteuerung
im folgenden anhand der 4 beschrieben wird.
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Zu
einem Zeitpunkt tEIN, der im folgenden noch
definiert wird, wird der Schalter 308 geschlossen. Daraufhin
fließt
ein Strom durch die Spule 307 und den Schalter 308,
der den Kondensator 309 auflädt. Sobald der Kondensator 309 vollständig aufgeladen
ist, d. h. die an ihm abfallende Spannung und damit auch die gespeicherte
Energie maximal ist, erreicht der den Schalter durchfließende Strom
einen Wert von Null. Jetzt wird der Schalter 308 zum Zeitpunkt tAUS wieder geöffnet und der Stromfluß damit unterbrochen.
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Der
Zeitpunkt zum erneuten Einschalten des Schalters 308 wird
so gewählt,
daß der
Kondensator 309 während
der Ausschaltphase des Schalters 308 seine Energie auf
die zu ihm parallel angeordnete Spule 310 umladen kann.
Während
des Umladens sinkt die am Kondensator 309 abfallende Spannung U1.
Unterschreitet diese Spannung U1 einen vorgegebenen Wert oder ist
sie Null, bedeutet das, daß die Kondensatorenergie
umgeladen ist. Jetzt ist der Zeitpunkt tEIN erreicht,
an dem der Schalter 308 wieder geschlossen wird und den
Kondensator 309 erneut auflädt. Damit beginnt der eben
beschriebene Vorgang von neuem.
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Es
sei an dieser Stelle noch angemerkt, daß das untere Ende des Kondensators 309 positiv
und das obere Ende des Kondensators 309 negativ ist, entsprechend
dem positiven unteren Eingang und dem negativen oberen Eingang des
Sperrwandlers B.
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Die
als Energie-Zwischenspeicher dienende Spule 310 überträgt ihre
Energie wiederum auf den parallel geschalteten Kondensator 312 über die
Diode 311.
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Zur
Erzielung einer hohen Resonanzfrequenz des Schwingkreises 307, 309 wird
für den Kondensator 309 eine
kleine Kapazität
ausgewählt. Aufgrund
dieser kleinen Kapazität
weist die daran abfallende Spannung U1 eine große Welligkeit auf, d. h. die
Glättungswirkung
eines solchen Kondensators ist relativ gering. Dies ist der Grund
dafür,
daß Energie von
dem Kondensator 309 über
die als Zwischenspeicher dienende Spule 310 an den am Ausgang des
Sperrwandlers B liegenden Kondensator 312 übertragen
wird, dessen Kapazität
sehr viel größer gewählt werden
kann.
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Der
Sperrwandler B ist als invertierender Sperrwandler aufgebaut, was
beduetet, daß die
an seinem Ausgang anliegende Spannung die umgekehrte Polarität zu der
an seinem Eingang anliegenden Spannung aufweist. Aus diesem Grund
ist zwischen den Kondensator 309 und den am Ausgang liegenden
Kondensator 312 die Diode 311 geschaltet.
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Die
Steuerung des Schalters 308 erfolgt durch eine Steuerschaltung 313,
die in Block E angeordnet ist. Die Steuerschaltung 313 erhält über mehrere
in der Schaltung ausgebildete Meßglieder entsprechende Istwert-Signale
und ist mit dem Schalter 308 über eine Steuerleitung 314 verbunden.
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Wie
bereits erwähnt,
entnimmt der Sperrwandler B dem Netz Pakte halbsinusförmiger Stromimpulse.
Dazu wird der Schalter 308 geschlossen, wenn die Spannung
U1 null wird oder einen bestimmten Spannungswert
unterschreitet. Eine als Spannungsteiler aufgebaute Serienschaltung
aus zwei Widerständen 315, 316,
die parallel zum Kondensator 309 angeordnet ist, dient
als Spannungsmeßglied, an
dessen Mittelabgriff ein der Spannung U1 proportionales Spannungssignal
abfällt.
Dies wird über
eine Steuerleitung 335 an die Steuerschaltung 313 übertragen.
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Die
halbsinusförmigen
aus dem Netz entnommenen Stromimpulse durchfließen einen in Serie zu dem Schalter 308 liegenden
Widerstand 317, der als Strommeßglied dient. Das Strommeßglied ist
mit der Steuerschaltung 313 über eine Leitung 318 verbunden
und liefert der Steuerschaltung ein dem Strom proportionales Spannungssignal.
Den Zeitpunkt tAUS zum Öffnen des Schalters 308 erkennt
die Steuerschaltung 313 an einem vom Strommeßglied 317 gelieferten
Spannungssignal von Null, was auch einem den Schalter 308 durchfließenden Strom
von Null entspricht.
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Zusätzlich zu
den zuvor beschriebenen Meßgliedern
ist am Eingang des Sperrwandlers B ein weiteres Spannungsmeßglied angeordnet,
das aus zwei Widerständen 350, 351 besteht
und mit der Steuerschaltung 313 verbunden ist. Das der
Eingangsspannung des Sperrwandlers B proportionale Meßsignal dient
zur Überwachung
der Eingangsspannung. Sollte beispeilsweise die Amplitude dieser
Spannung – bedingt
durch Netzschwankungen – von
einem vorgegebenen Soll-Wert abweichen, so kann die Steuerschaltung
darauf reagieren und die Störung
ausregeln.
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Als
weiteres Regelkriterium dient eine am Mittelabgriff eines aus zwei
Widerständen 331, 332 gebildeten
Spannungsteilers abfallende Spannung, die der Steuerschaltung 313 über eine
Leitung 335 zugeführt
wird. Die Serienschaltung aus den beiden Widerständen 331, 332 liegt
parallel zu dem Glättungskondensator 312.
Die am Mittelabgriff dieser beiden Widerstände abfallende Spannung ist
als ein Maß für die am
Ausgang des Sperrwandlers B entstehende Gleichspannung.
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Die
am Ausgang des Sperrwandlers B anliegende Spannung speist einen
sich anschließenden geschalteten
Wechselrichter C. Dieser weist wie üblich zwei zwischen den Eingängen in
Reihenschaltung angeordnete steuerbare Schaltelemente 319, 320,
vorzugsweise Transistoren oder Feldeffekttransistoren, auf, die
abwechselnd öffnen
und schließen. Der
Wechselrichter ist freischwingend. In den Steuerkreisen der Schalter 319, 320 sind
Sekundärwicklungen 321, 322 eines
Transformators angeordnet, dessen Primärwicklung 323 im Lastkreis
D liegt. Abhängig
vom Strom durch die Primärwicklung 323 des Transformators
werden die Schalter 319, 320 abwechselnd geöffnet und
gesperrt, so daß eine
etwa rechteckformige Spannung am Ausgang des Wechselrichters C entsteht.
Im Gegensatz zum Stand der Technik, wird jedoch der Schalter 320 nicht
direkt über
die Sekundärwicklung 322 des
Transformators gesteuert. Der normalerweise am Steuereingang des Schalters 320 liegende
Ausgang der Sekundärwicklung 322 ist
hier mit einem Eingang der Steuerschaltungen 313 verbunden,
die ihrerseits über
eine Steuerleitung 324 den Schalter 320 steuert.
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Jeweils
parallel zu den Sekundärwicklungen 321 bzw. 322 sind
in Serie aber gegensinnig geschaltete Zenerdioden 337,338 bzw. 339, 340 zum
Schutz des Steuereingangs des Schalters 319 bzw. 320 vor zu
hohen Spannungen angeordnet.
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Der
Lastkreis D für
den Wechselrichter besteht aus der Gasentladungslampe 336 mit über einen
Kondensator 326 in Serie geschalteten Heizwendeln. Die
eine (untere) Heizwendel ist direkt mit dem Wechselrichter C verbunden.
Die andere (obere) Heizwendel ist über die Serienschaltung eines
Trennkondensators 334, einer Spule 325 und die
Primärwicklung 323 des
Transformators mit dem Wechselrichter C verbunden. Die Spule 325 und
der Kondensator 326 bilden einen Serienschwingkreis.
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Mit
Hilfe der Steuerschaltung ist es möglich, die an der Gasentladungslampe 325 anliegende Spannung
UL und damit deren Helligkeit zu variieren. Beim Stand der Technik
erfolgt ein solches Dimmen durch Verändern der Frequenz der am Ausgang
des Wechselrichters C anliegenden Spannung, wodurch eine Spannungsänderung
am im Lastkreis angeordneten Serienschwingkreiskondensator 326 hervorgerufen
wird. Bei einem freischwingenden Wechselrichter kann dagegen dessen
Grundfrequenz nicht gezielt verändert
und zur Steuerung der Lampenhelligkeit (Dimmen) ausgenutzt werden.
Das Dimmen der Gasentladungslampe erfolgt hier stattdessen dadurch,
daß die
Steuerschaltung 313 über
die Steuerleitung 324 das Tastverhältnis des Schalters 320 beeinflusst,
wodurch das Amplitudenverhältnis
zwischen der Grundwelle und den höherfrequenten Oberwellen zugunsten
der letzteren verschiebt. Da der im Lastkreis D durch die Spule 325 und
den Kondensator 326 gebildete Serienschwingkreis auf die Grundfrequenz
abgestimmt ist, sinkt durch Verändern
des Tastverhältnisses
bzw. der Impulsbreite des Wechselrichterausgangssignals die Spannung
UL am Kondensator 326 und damit auch die Helligkeit der
parallel zum Kondensator 326 angeordneten Entladungslampe 336.
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In
den 2 und 3 ist
dieser Sachverhalt nochmals verdeutlicht. Die hier aus Gründen der Schematisierung
rechteckförmig
gezeichneten Steuersignale für
die beiden Schalter 319, 320 sind gegeneinander
derart phasenverschoben, daß zu
keinem Zeitpunkt beide Schalter 319, 320 gleichzeitig geschlossen
sind. Die Phasenverschiebung wird durch die gegensinnige Anordnung
der Sekundärwicklungen 321, 322 erreicht.
Die Ansteuerungssignale der ungedimmten Betriebsart sind in den 2a bzw. 2b dargestellt.
Die Periode der rechteckförmigen
Ansteuersignale beträgt
T0, die sich aus der "EIN"-Zeitdauer t1 und
der "AUS"-Zeitdauer t2 zusammensetzt.
In den 2a und 2b sind
t1 und t2 im wesentlichen gleich groß.
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3a zeigt
die Änderung
des den Schalter 320 ansteuernden Signals. Das ursprüngliche
Tastverhältnis
t1/t2 hat sich nach t3/t4 verschoben, wobei t3 kleiner als t1 und
t4 größer als
t2 ist. Die Ansteuerung des anderen Schalters 319 ändert sich
nicht (vgl. 3b), da die Periode T0 des geänderten
Signals (3a) gleich bleibt.
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Die
Steuerschaltung 313 wertet für die Bildung des Steuersignals
Informationen aus, die sie von verschiedenen Meßgliedern erhält. Eine
Information erhält
sie, wie bereits erwähnt,
von der Sekundärwicklung 322 des
im Lastkreis D angeordneten Transformators. Diese Information betrifft
den Schaltzustand des Schalters 320.
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Außerdem erfolgt
eine Ist-Wert-Messung der Lampenspannung UL, indem diese von einem
parallel zur Lampe 336 geschalteten Spannungsteiler 327, 328 abgenommen
und der Steuerschaltung 313 zugeführt wird. Ein im Strompfad
der Lampe angeordneter Widerstand 329 dient zudem als Strommeßglied und
liefert ein dem Lampenstrom proportionales Spannungssignal über die
Steuerleitung 330 an die Steuerschaltung 313.
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Mit
Hilfe dieser Meßglieder
kann durch entsprechendes Auswerten der entsprechenden Informationen
auf Störeinflüsse, wie
z. B. Netzspannungsänderungen,
reagiert werden.
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Zu
erwähnen
ist noch, daß sich – wie die
Praxis gezeigt hat – mit
der Beeinflussung des Tastverhältnisses
auch die Frequenz des selbstschwingenden Systems ändert. Dies
ist in den 2 und 3 nicht berücksichtigt.
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Die
Steuerschaltung 313, die beispielsweise als ASIC (Application
Specific Integrated Circuit) gefertigt sein kann, erlaubt darüber hinaus
die Konstanthaltung der von der Gasentladungslampe 336 aufgenommenen
Leistung, und zwar unabhängig
davon, welcher Lampentyp (beispielsweise Argon oder Krypton, die
stark unterschiedliche Strom-/Spannungs-Charakteristiken haben),
eingesetzt wird. Hierbei werden die Lampenspannung UL und
der Lampenstrom IL, wie zuvor beschrieben,
gemessen, und in der Steuerschaltung 313 mit entsprechenden Sollwerten
verglichen. Bei Abweichung des Ist-Werts vom Soll-Wert wird eine
korrigierende Maßnahme getroffen,
die beispielsweise durch Beeinflussung des Tastverhältnisses
des Schalters 320 oder durch Regeln des Sperrwandlers B
erfolgen kann.