DE4233861A1

DE4233861A1 - Einrichtung zur Ansteuerung von Hochspannungsentladungslampen sowie ein Verfahren hierfür

Info

Publication number: DE4233861A1
Application number: DE19924233861
Authority: DE
Inventors: Heinz-Dieter Dipl Ing Lingner; Wolfgang Dipl Ing Serfass
Original assignee: Aqua Signal AG
Current assignee: Aqua Signal AG
Priority date: 1992-10-08
Filing date: 1992-10-08
Publication date: 1994-04-14

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ansteuerung von Hochspannungsentladungslampen, insbesondere mit nicht-ge heizten Elektroden, mit einem Steuergerät zur Steuerung einer Wechselspannungsversorgung variabler Frequenz, insbe sondere 10 kHz bis 20 kHz, und mit einem Transformator zur Anpassung der Spannungshöhe. Weiterhin betrifft die Erfin dung ein Verfahren zur Ansteuerung von Hochspannungsent ladungslampen.

Unter den Begriff der Hochspannungsentladungslampen fallen auch Hochspannungsleuchtröhren oder -leuchtstoffröhren. Diese sind zum Teil aus dem Bereich der Werbung als selbst leuchtende Reklameschriften bekannt. Zu einem anderen Teil wird der Lampentyp zur farbigen Ausleuchtung größerer Räume verwendet. Umgangssprachlich ist auch der Begriff "Neon-Lampen" gebräuchlich. Nicht zu verwechseln sind diese Lampen mit den in Büroräumen und anderen Arbeitsplätzen gebräuchlichen Niederdruckleuchtstofflampen, die mit einer niedrigeren Spannung und höheren Strömen arbeiten und die fälschlicherweise oft als "Neon-Lampen" bezeichnet werden.

Zur Ansteuerung der Entladungslampen allgemein wird ein Vor schaltgerät verwendet. Wesentliches Bauteil des Vorschalt gerätes ist eine Drossel zur Bereitstellung einer hohen Zündspannung im Zusammenwirken mit weiteren Bauteilen und einer Strombegrenzung nach der Zündung der Lampe. Eine Änderung der Helligkeit ist grundsätzlich möglich durch Variation der Frequenz der an der Lampe anliegenden Spannung. Der Wechselstromwiderstand der Drossel nimmt mit zunehmender Frequenz zu, so daß sich der Strom entsprechend verringert.

Bei Anwendung dieses Prinzips für die Helligkeitsregelung von Hochspannungsentladungslampen ist für ein Herabsetzen des Lampenstroms auf ein Zehntel des vollen Lampenstroms eine Verzehnfachung der Frequenz erforderlich. Ein wirk sames und über einen breiten Bereich gehendes Dimmen von derartigen Lampen erfordert demnach hohe Frequenzen, die bis in den 100 kHz-Bereich hineingehen können. Insbesondere dicht nebeneinanderliegende Hochspannungsentladungslampen können sich dadurch in einer Weise beeinflussen, die eine Dimmbarkeit unmöglich macht.

Aus dem Bereich der Niederdruckleuchtstofflampen ist es be kannt, die Lampe über einen Resonanzkreis mit einer Induk tivität und einer Kapazität anzusteuern, Phillips "High- Frequency Electronic Lighting System", 1984, Abs. 6.10. Die Lampe ist parallel zur Kapazität geschaltet. Die einzelnen Bauteile sind so ausgewählt bzw. eingestellt, daß die Frequenz für den vollen Lampenstrom nahe der Resonanz frequenz des Resonanzkreises liegt. Dadurch ist eine Variation des Lampenstroms in einem weiten Bereich bei relativ geringer Änderung der Frequenz möglich. Zusätzlich kann zwischen dem Steuergerät und dem Resonanzkreis ein Transformator zur Anpassung der Spannung vorgesehen sein.

Für den Bereich der Hochspannungsentladungslampen ist es bekannt, diesen bei einer ungedimmten Anwendung und Nieder frequenzbetrieb einen Streufeldtransformator vorzuschalten. Letzterer wirkt als Drossel zur Strombegrenzung nach dem Zünden der Lampe, vgl. Hausgeräte-, Beleuchtungs- und Klima technik/Enno Volkerts, Horst Friedrichs - 6. Auflage - Würz burg, Vogelverlag, 1990, Seite 141.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung bzw. ein Verfahren zu schaffen, mit der bzw. mit dem ein Dimmen von Hochspannungsentladungslampen einfach möglich ist. Insbesondere sollen Beeinflussungen benachbarter Bau teile oder Lampen durch elektromagnetische Wechselwirkungen vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Einrichtung ent sprechend dem Patentanspruch 1 gelöst. Danach ist auf der Sekundärseite des zur Anpassung der Spannungshöhe vorge sehenen Transformators ein Resonanzkreis aus einer Induk tivität und einer Kapazität gebildet. Die Lampe ist parallel zur Kapazität geschaltet und die Frequenz ist nahe der Resonanzfrequenz variierbar. Mit nicht-geheizten Elek troden arbeitende Hochspannungsentladungslampen bewirken nur eine geringe Dämpfung des Resonanzkreises. Eine Änderung des Lampenstroms ist deshalb bei einer Frequenz nahe der Resonanzfrequenz innerhalb eines nur geringen Frequenzbandes möglich. Die einzelnen Bauteile sind so aufeinander abgestimmt, daß im Bereich einer Frequenz von 10 kHz bis 20 kHz der volle Lampenstrom fließt. Auch bei sehr starkem Dimmen bis unter 10% des vollen Lampenstroms werden keine 30 kHz bis 40 kHz, insbesondere keine 100 kHz, erreicht.

Vorteilhafterweise ist der Transformator als Streufeldtrans formator ausgebildet. Dabei ist die Induktivität des Resonanzkreises zumindest Teil der Induktivität des Streu feldtransformators. Die sonst im Resonanzkreis vorgesehene Induktivität kann demnach wesentlich kleiner ausfallen oder gar ganz durch den Streufeldtransformator ersetzt werden.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Regel einrichtung vorgesehen, zur Regelung des Lampenstroms, mit einem Meßwert-Aufnehmer zur Erfassung des Lampenstroms, ins besondere einem Stromwandler, einem Regler zum Vergleich des Lampenstroms (Ist-Wert) mit einem eingestellten Soll wert und einem Reglerausgang zur Ansteuerung des Steuer geräts. Es liegt somit ein geschlossener Regelkreis vor. Geregelt wird der unmittelbar die Helligkeit beeinflussende Lampenstrom durch Anpassung der Frequenz am Ausgang des Steuergeräts. Etwaige Schwankungen des Lampenstroms in Ab hängigkeit von der Lampentemperatur werden eliminiert.

In Verbindung mit dem Streufeldtransformator und/oder der Regeleinrichtung (dem Regelkreis) ist die Erfindung auch vorteilhaft für die Ansteuerung von Entladungslampen all gemein anwendbar, etwa für Niederdruckleuchtstofflampen.

Weitere Merkmale der Erfindung sind der Beschreibung sowie den übrigen Ansprüchen entnehmbar.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild für eine Einrich tung zur Ansteuerung von Hochspannungsent ladungslampen,

Fig. 2 eine Schaltung gemäß Fig. 1, mit zusätzlicher Regeleinrichtung,

Fig. 3 eine Abwandlung der Schaltung gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine real ausgeführte Schaltung ähnlich der in Fig. 3,

Fig. 5a und 5b einen Streufeldtransformator in der Seiten ansicht und im Schnitt entlang der Linie V-V.

Fig. 1 zeigt eine erste Anwendung einer erfindungsgemäßen Einrichtung. Über ein Steuergerät 10 wird eine Wechsel spannung variabler Frequenz, insbesondere eine Rechteck spannung, an den Punkten 11, 12 zur Verfügung gestellt. Eine entsprechende Spannungsversorgung mit einer Gleichrich tung und gegebenenfalls Transformierung der Netzspannung ist nicht extra eingezeichnet. An den mit + und - gekenn zeichneten Eingängen liegt bereits eine Gleichspannung an, die mittels des Steuergerätes 10 entsprechend der gewünsch ten Frequenz geschaltet wird. Die hierfür vorgesehenen Schalter sind in den Figuren als Transistoren 13, 14 ge zeichnet und können auch durch andere geeignete Bauelemente realisiert werden.

Die zwischen den Punkten 11, 12 abgegriffene hochfrequente Wechselspannung liegt an der Primärseite eines Transforma tors 15 an. Hier findet eine Umwandlung auf die für eine Hochspannungsentladungslampe erforderliche Spannung von 500 V bis 5000 V statt. Dem Transformator 15 ist noch ein Kondensator 16 vorgeordnet, der eine Gleichstrommagneti sierung verhindert.

An die Sekundärseite des Transformators 15 ist ein Resonanz kreis aus einer Induktivität 17 und einem Kondensator 18 an geschlossen. Parallel zum Kondensator 18 ist eine Hoch spannungsentladungslampe 19 geschaltet.

Über das Steuergerät 10 wird der Resonanzkreis mit einer Frequenz betrieben, die nahe der Resonanzfrequenz liegt. Die Bauteile sind so ausgelegt, daß die Hochspannungsent ladungslampe 19 bei dieser Frequenz zündet und danach ihre volle Lichtstärke abgibt. Die Steuerung der Lichtstärke, das Dimmen, erfolgt durch eine Frequenzerhöhung. Durch den Betrieb nahe dem Resonanzpunkt ändert sich die Impedanz des Resonanzkreises bereits bei kleinen Frequenzänderungen sehr stark. Durch die charakteristisch hohen Spannungen und niedrigen Ströme der Hochspannungsentladungslampe 19 wird der Resonanzkreis nur schwach bedämpft. Es sind deshalb keine großen Frequenzänderungen zur Helligkeitssteuerung erforderlich. Ausgehend von 10 kHz bis 20 kHz für volle Helligkeit ist eine Verstellung der Frequenz nur um wenige Kilohertz nach oben zur Erzielung einer minimalen Helligkeit erforderlich. Die bei der Helligkeitsverstellung auftretenden maximalen Frequenzen liegen demnach deutlich unter 100 kHz. Eine gegenseitige kapazitive Beeinflussung dicht beieinander liegender Lampen ist bei diesen geringen Frequenzen unerheblich. Zur Erzielung verschiedenfarbiger Effekte können einzelne Lampen dicht nebeneinander angeordnet werden, sogar mit einem Abstand von nur einem Lampendurchmesser.

Fig. 2 zeigt eine Ergänzung des zuvor beschriebenen Prinzips. Es wird hier der Lampenstrom durch einen Strom wandler 20 gemessen und als Ist-Wert I_IST über eine Meßeinrichtung 21 einem Regler 22 zugeführt. In diesem findet ein Vergleich mit einem Soll-Wert I_SOLL des Stroms statt. Eine entsprechende Steuergröße wird vom Regler 22 dem Steuergerät 10 zur Einstellung einer entsprechenden Frequenz übermittelt. Somit liegt ein geschlossener Regelkreis vor. Eine einmal eingestellte Helligkeit bzw. ein Lampenstrom wird durch die Regelung auf einem konstanten Wert gehalten. Helligkeitsschwankungen finden nicht statt.

Fig. 3 zeigt eine weitere Abwandlung. Dort ist der Transfor mator 15 durch einen Streufeldtransformator 23 ersetzt. Zugleich ist im Resonanzkreis keine Induktivität mehr vorge sehen, sondern nur noch der Kondensator 18. Aus Verein fachungsgründen sind die Elemente links jenseits der Anschlußpunkte 11, 12 nicht eigens eingezeichnet, ebenso wie weitere Teile des Regelkreises, etwa die Meßeinrichtung 21 oder der Regler 22.

Der Streufeldtransformator 23 ersetzt mit seiner Induktivi tät die in den Fig. 1 und 2 vorgesehene Induktivität 17 des Resonanzkreises. Ein Bauteil wird demnach eingespart. Der Platzbedarf wird insgesamt geringer.

In einer nicht gezeichneten Ausführungsform ist der Trans formator 15 in den Fig. 1 und 2 ebenfalls durch einen Streu feldtransformator ersetzt. Letzterer ist jedoch so ausge legt, daß die Induktivität 17 nicht wegfällt, sondern anders dimensioniert ist. Gleichwohl ist eine Kosten- und Platzersparnis gegeben.

Die Fig. 4 - bestehend aus den Teilfig. 4/I und 4/II - zeigt ein Schaltbild eines realisierten elektronischen Vor schaltgerätes, in diesem Fall für Hochspannungsentladungs lampen von 1×80 cm Länge bis 2×2 m Länge in Reihenschal tung mit einer Netzspannung von 230 V und einer maximalen Leerlauf-Ausgangsspannung von 5 kV. Ein Verbindungspunkt zwischen den beiden Teilfig. ist jeweils als VP bezeich net.

Über F1, L1, V1, C2 wird auf übliche Weise zunächst aus der Netzspannung eine interne Gleichspannung von ca. 300 V erzeugt.

Mit T1, V2, C3, C4, N3 wird auf übliche Weise eine interne Versorgungsgleichspannung von 12 V für die Steuer- und Regeleinrichtung erzeugt.

Für die Erfindung von besonderer Bedeutung sind das Netz werk mit T2 (T2.1, T2.2, T2.3), V3, V4, der Streufeldtrans formator T3 mit C7 bis C10 und R5 bis R10, der Stromwandler T4 mit V6 bis R41 und das Netzwerk mit und um N2.

Die Transistoren V3, V4 bilden eine Halbbrückenstufe, die den Streufeldtransformator T3 über C7 mit einer rechteck förmigen Wechselspannung versorgt. Die Kondensatoren C8 bis C10 mit den sehr hochohmigen Symmetrierwiderständen R5 bis R10 stellen den kapazitiven Teil des Resonanzkreises dar, die Streuinduktivität von T3 den induktiven Teil. Parallel zum Resonanzkreis sind die Hochspannungsentladungslampen LP1, LP2 angeschlossen.

Als Stromwandler dient der Transformator T4. Über seine Sekundärwicklung und das Netzwerk mit V6 bis R41 wird eine Gleichspannung erzeugt, die ein Maß für den Lampenstrom (I_IST) ist.

Der Ist-Wert I_IST wird dem in diesem Falle als PI-Regler beschalteten Operationsverstärker N1.2 zugeführt. Punkt 6 dieses Verstärkers ist als Knotenpunkt ausgebildet, dem über R24 auch der aus U_Dimm mit dem Netzwerk von V7 bis N1.3 gewonnene Soll-Wert I_SOLL zugeführt wird. N1.2 erzeugt an seinem Ausgang 7 eine Stellspannung, die dem integrierten Schaltkreis N2 zugeführt wird.

N2 ist im wesentlichen ein spannungsgesteuerter Oszillator mit Gegentaktausgangsstufe, der in der Lage ist, am Ausgang 14 die Primärwicklung T2.2 des Transformators T2 mit einer rechteckförmigen Steuerspannung zu schalten, deren Frequenz umgekehrt proportional zur Stellspannung am Punkt 6 ist. Die genannte Steuerspannung ist die Spannung, die über T2.1 und T2.3 die Gegentaktstufe aus V3 und V4 betreibt. Damit ist der in den Fig. 2 und 3 beschriebene Regelkreis ge schlossen.

Bei zwei je 2 m langen Lampen LP1, LP2 und einer Netzspan nung von 230 V/50 Hz ergibt sich eine Wirkleistungsaufnahme von 76 W bzw. 23 W für Vollicht bzw. 15% Licht, eine Arbeitsfrequenz von 12,15 kHz bzw. 12,66 kHz und ein Lampen strom von 50 mA bzw. 7,5 mA.

Die Fig. 5a, 5b zeigen den schematischen Aufbau des Streu feldtransformators T3.

Der Kern des Trafos ist ein handelsüblicher Ferritkern der Bauform E42/15. Die Wicklungen W1 und W2 befinden sich auf je einem Spulenkörper, der etwas schmaler ist, als der Kern E42/15 eigentlich zulassen würde. Dadurch bleibt zwischen den Spulenkörpern Platz, um auf jeder Seite ein Ferritstück S einzusetzen. Dieser magnetische Nebenschluß erlaubt dem magnetischen Fluß, bei Belastung der Sekundärseite nicht mehr vollständig über die Außenschenkel und den Mittel schenkel durch die Sekundärseite zu fließen, sondern teil weise an der Sekundärseite vorbei. Dadurch verhält sich der Streufeldtransformator wie die Kombination eines "normalen", starren Trafos und einer in Reihe geschalteten Induktivität.

Die in den Figuren beschriebenen Schaltungen (mit Ausnahme der Lampen) können in der Praxis als Teile von sogenannten elektronischen Vorschaltgeräten (EVG) verwirklicht sein, etwa zusammen mit Einrichtungen zum Umformen elektrischer Leistung sowie weiteren, hier nicht gezeigten Bauelementen.

Bezugszeichenliste

10 Steuergerät
11 Punkt
12 Punkt
13 Transistoren
14 Transistoren
15 Transformator
16 Kondensator
17 Induktivität
18 Kondensator
19 Hochspannungsentladungslampe
20 Stromwandler
21 Meßeinrichtung
22 Regler
23 Streufeldtransformator

Claims

1. Einrichtung zur Ansteuerung von Hochspannungsent ladungslampen, insbesondere mit nicht-geheizten Elektroden, mit einem Steuergerät (10) zur Steuerung einer Wechsel spannungsversorgung variabler Frequenz, insbesondere 10 kHz bis 20 kHz, einem Transformator (15) zur Anpassung der Spannungshöhe und einem Resonanzkreis aus Induktivität (17) und Kapazität (Kondensator (18) auf der Sekundärseite des Transformators, dabei ist die Lampe (19) parallel zur Kapazität geschaltet und die Frequenz ist nahe der Resonanz frequenz variierbar.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator als Streufeldtransformator (23) ausge bildet ist und die Induktivität des Resonanzkreises zumin dest Teil der Induktivität des Streufeldtransformators ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung zur Regelung des Lampenstroms, mit einem Meßwertaufnehmer (21) zur Erfassung des Lampen stroms, insbesondere einem Stromwandler (20), einem Regler (22) zum Vergleich des Lampenstroms (Ist-Wert I_IST) mit einem eingestellten Soll-Wert (I_SOLL) und einem Regleraus gang zur Ansteuerung des Steuergerätes (10).

4. Verfahren zur Ansteuerung von Hochspannungsent ladungslampen, insbesondere mit nicht- geheizten Elektro den, mit folgenden Merkmalen:

- ein Steuergerät (10) stellt eine Wechselspannung variab ler Frequenz zur Verfügung,
- die Spannung wird über einen Transformator (15, 23) auf eine bestimmte für die Lampe geeignete Spannung trans formiert,
- auf der Sekundärseite des Transformators (15, 23) ist ein Resonanzkreis vorgesehen mit einer Induktivität (17, 23) und einer Kapazität (Kondensator (18), dabei ist die Lampe parallel zur Kapazität geschaltet und die Frequenz der Wechselspannung wird zur Steuerung des Lampenstroms nahe der Resonanzfrequenz des Resonanz kreises variiert.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz für vollen Lampenstrom und damit für volle Lampenhelligkeit zwischen 10 kHz und 20 kHz liegt.