DE4330859A1 - Elektronischer Ballast für eine Entladungslampe - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen
Ballast für eine Entladungslampe, mit einem Antriebskreis, der
der Entladungslampe hochfrequenten Strom zuführt, und der einen
ersten und einen zweiten Leistungsschalter und des weiteren
Steuerkreise aufweist, um die Leistungsschalter so zu steuern,
daß ein erster Anteil des Lampenstroms im wesentlichen durch
den ersten Leistungsschalter und ein zweiter Anteil des
Lampenstroms im wesentlichen durch den zweiten
Leistungsschalter fließt.
Dieser als Halbbrücke geschaltete Typ von Antriebskreisen ist
in elektronischen Ballasten für Entladungslampen üblich. Als
ein Beispiel kann das Patent US-4 553 070 des Anmelders
herangezogen werden. Zum Stand der Technik können auch die
Patentveröffentlichungen US-4 237 403, US-4 277 728 und
US-4 370 600 herangezogen werden. Alle diese
Schaltungsaufbauten gemäß dem Stand der Technik haben
gemeinsam, daß die Steuerung der Leistungsschalter auf
Informationen über den Betriebszustand der begleiteten Schalter
basiert. Diese Information wird typischerweise von einem
Transformator erhalten, der in einen Lampenschaltkreis
eingesetzt ist. Dies bringt jedoch den Nachteil mit sich, daß
in einem Steuerkreis ein Hochspannungsdifferenzierglied
verwendet werden muß, das in der Herstellung relativ teuer ist,
egal ob Halbleitertechnologie oder ein Transformator verwendet
wird.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Ballast
bereitzustellen, bei dem die Steuerung der Leistungsschalter so
bewirkt wird, daß keine Informationen über den Betriebszustand
der begleitenden Schalter benötigt werden, und es folglich
nicht mehr notwendig ist, ein Hochspannungsdifferenzierglied in
einem Steuerkreis zu verwenden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Steuerkreise funktionell voneinander unabhängig sind, so daß
das bedingte Schalten der Leistungsschalter in Abhängigkeit
eines Stroms erfolgt, der durch die Leistungsschalter fließt,
wobei die Leistungsschalter ebenso in Abhängigkeit der
Dimensionen der Steuerkreise und/oder in Abhängigkeit einer
externen Steuerung gesteuert werden.
Die weiteren Ansprüche offenbaren bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Die Erfindung wird nun genauer mit Bezug auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen
Antriebskreises;
Fig. 2 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf
des Lampenstroms im Antriebskreis
gemäß Fig. 1.
Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines erfindungsgemäßen
Antriebskreises gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
An Hand dieses Schaltbildes werden nun der Aufbau und die
Funktionsweise des Antriebskreises veranschaulicht.
Zwei Leistungsschalter (V1) und (V2) sind in Reihe zwischen
einer Betriebsspannung (V300) und einem Erdanschluß (GND)
geschaltet. Eine Lampe (DL) ist mittels einer Induktivität (Le)
mit einem Punkt (A) zwischen den Schaltern (V1) und (V2)
verbunden.
Der Antriebskreis setzt sich auf den Erhalt eines geeigneten
Impulses an einem Anschluß (Ustart) z. B. mittels eines
typischen DIAC-Schaltkreises in Gang. Der Impuls hebt einen
Anschluß (G) von (V2) über eine Sperrspannung, wodurch (V2)
leitend wird und die Spannung des Punktes (A) auf einen Wert
nahe des Erdpotentials fällt. Folglich werden (C3) und (C4)
über (D7) und (D8) bis ungefähr auf die Spannungen (Uohj) und
(U12) geladen.
Über (V1) liegt eine Spannung (U300) an. Über (R8) steigt ein
Basisstrom zu (V3) an, der leitend ist und eine niedrige
Gitterspannung in (V1) aufrecht erhält, obwohl Strom von (C4)
durch einen Begrenzungswiderstand (R5) fließt. (V1) bleibt
gesperrt.
Über (Le) liegt eine Spannung (U150) an, und folglich beginnt
ein ansteigender Strom (Ie) durch (Le) hindurchzufließen. Die
Form dieses Stroms (Ie) wird durch (Le, C7) und (DL) bestimmt.
(I2) ist ungefähr gleich groß wie (Ie). Bei einem bestimmten
Schwellenwert wird ein Transistor (V4) leitend und zieht die
Gitterspannung von (V2) nach unten. Dies vergrößert die
Anodenspannung, wodurch (V4) über (C2) mehr Basisstrom erhält.
Diese positive Rückkoppelung ergibt ein schnelles Ausschalten
des Stroms durch (V2).
Ein Stromschwellenwert (Ik) hängt nicht nur von der
Sperrspannung von (V4), sondern sowohl von den Widerständen
(R4, R7) und (R9) als auch von der Spannung (Uohj) ab. (Ik)
kann verändert werden, indem (Uohj) variiert wird.
Wenn (V1) ausschaltet, kann (Ie) nicht länger die Erde
erreichen. Folglich steigt die Spannung des Punktes (A) an, bis
die interne Diode von (V1) leitend wird, und (Ie) fließt zu der
Betriebsspannung. Über (V2) liegt eine Spannung an, die
ungefähr gleich der Spannung (U300) ist. Folglich erhält (V4)
einen Basisstrom über (R9) und hält eine niedrige
Gitterspannung (Ugs) in (V2) aufrecht.
Die Spannung über (V1) ist niedrig und (V3) empfängt keinen
ausreichenden Basisstrom über (R8). Folglich steigt die
Gitterspannung von (V1) auf eine Spannung an, die durch (C4)
bestimmt ist. (V1) ist ebenso über seinen Leitungsbereich
leitend.
(Ie) fließt zu der Betriebsspannung hin, aber über (Le) liegt
eine Gegenspannung an. Folglich verringert sich (Ie) auf Null
und beginnt, in der Gegenrichtung anzuwachsen, bis bei einem
bestimmten Schwellenwert (Ik1) der Transistor (V3) mittels (R1)
und (R3) Basisstrom erhält und die Gitterspannung von (V1) nach
unten zieht. Die Anodenspannung von (V1) steigt an und (V3)
erhält mehr Steuerstrom über (C1). (V1) schaltet schnell aus.
(Ik1) wird sowohl durch (R1, R3, R8) und (R9) als auch durch
(UC3) vorbestimmt. Die Bauteile sind so dimensioniert, daß bei
normalem Betrieb (Ik) = (Ik1) ist.
Nachdem (V1) ausgeschaltet hat, nimmt die Spannung des Punkts
(A) ab, bis (Ie) über die interne Diode von (V2) weiterfließen
kann. (V4) erhält keine Ansteuerung durch (R9) mehr und
folglich steigt die Gitterspannung von (V2) auf eine Spannung
(U12) an. (Ie) fällt auf Null und beginnt auf dieselbe Weise
anzusteigen wie zu Beginn. Der Schaltkreis oszilliert.
Der schaltende Antriebskreis ist eine halbe H-Brücke gemäß
einem üblichen allgemeinen Prinzip. Jedoch wird die Steuerung
der Leistungsschalter (V1) und (V2) so bewirkt, daß keine
Informationen über den Betriebszustand der begleitenden
Schalter benötigt werden. Zur Steuerung der jeweiligen Schalter
reichen Informationen über ihren jeweiligen eigenen Strom und
vorzugsweise auch über eine jeweils über ihnen anliegende
Spannung. Folglich ist es nicht notwendig, ein
Hochspannungsdifferenzierglied im Steuerkreis zu verwenden, das
eine teure Lösung darstellte, egal ob es mittels Halbleitern
oder mittels eines Transformators ausgeführt wäre.
(Lt) ist eine Sekundärspule der Induktivität (Le). Sie kann
mittels (V9) und (V10) kurzgeschlossen werden, indem eine
geeignete Spannung auf den Anschluß (Uhehk) gelegt wird.
Wenn die Lampe (DL) z. B. während wenigstens eines Teils des
Einschaltzeitraumes zum Glimmen gebracht wird, wird (Lt)
kurzgeschlossen. Folglich ist die Induktion, die der Strom (Ie)
beobachtet, niedrig und seine Anstiegsgeschwindigkeit hoch. Der
Antriebskreis arbeitet mit einer hohen Frequenz. Der Glimmstrom
von (DL), der durch (C7) strömt, ist ausreichend hoch und die
Lampenspannung ist niedrig. Wenn nun der Kurzschluß weggenommen
wird, beobachtet (Ie) eine hohe Induktivität und die
Betriebsfrequenz des Antriebskreises fällt. Über (C7)
entwickelt sich eine hohe Spannung, die die Glimmlampe
anschaltet.
Wenn das Lampenlicht an ist, liegt eine Leuchtspannung über
(C7) an, die viel niedriger ist als die Einschaltspannung.
Demzufolge ist der Strom durch (C7) niedrig.
Der Schaltkreis beinhaltet Kapazitäten (C5) und (C6), um den
Fluß von Gleichspannung in der Lampenschaltung zu blockieren,
und um eine Kathode, die mit dem gemeinsamen Punkt desselben
verbunden ist, auf einem gewünschten Potential, z. B. der
Spannung (U150) zu halten.
Die Leistungsschalter (V1) und (V2) weisen vorzugsweise MOSFET-
Transistoren auf, die einen zumutbaren Kreis und verglichen mit
verschiedenen anderen Bauteilen, die zur Zeit für das
Durchführen der entsprechenden Funktionen erhältlich sind,
geringe Leistungsverluste haben.
In einem Antriebskreis wie in dem oben beschriebenen können
sowohl die externen Steuerspannungen (Uohj) als auch die
Spannungen (U12) für beide Steuerkreise dieselben sein. Sie
können aber auch unterschiedlich voneinander sein.
Veränderungen der Steuerspannung (Uohj) können verwendet
werden, um die Glühleistung, die Einschaltspannung und den
Betriebsstrom einer Lampe zu verändern. Jedoch hat die externe
Steuerung im Sinne des Betriebs der Steuerkreise (R1, R3, R7,
R8, V3) und (R2, R4, R7, R9, V4) nur sekundäre Bedeutung, da
der Betrieb der Schaltkreise im wesentlichen auf einem Strom
basiert, der durch den jeweiligen Leistungsschalter (V1) oder
(V2) strömt. Diese werden zu einem gegebenen Zeitpunkt oder auf
die Messung von Parametern hin, die von einem solchen Strom
abgeleitet werden, gesteuert. Zusätzlich zu diesem primären und
aktiven Steuerungsparameter kann der Ein- oder
Ausschaltzeitpunkt der Leistungsschalter durch externe
Steuerung beeinflußt werden. Wenn die externe Steuerspannung
(Uohj) nicht angewendet wird, wird die Ausschaltbedingung der
Leistungsschalter auf der Basis eines Stroms, der durch sie
hindurchfließt, und auf Grund der Dimensionen eines
Steuerkreises bestimmt. Folglich sind trotz der externen
sekundären Steuerung die Steuerkreise funktionell unabhängig,
d. h. es gibt keine wechselseitige Datenübertragungsverbindung
zwischen ihnen, um den Einschalt- oder Ausschalt-Zeitpunkt der
Leistungsschalter zu bestimmen.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des
Stroms (Ie) während der Einschaltphase der Schaltung.
Zum Zeitpunkt t = 0 ist (Lt) kurzgeschlossen. Der Anschluß
(Ustart) erhält einen geeigneten Impuls. Daraufhin beginnt der
Strom (Ie) über (V2) zur Erde hin zu fließen. Der Strom (Ie)
steigt an bis auf einen Wert (Ik), bei dem (V2) sperrt. In der
Folge wird (V1) leitend. Der Strom (Ie) nimmt in umgekehrter
Richtung bis auf einen Wert (Ik1) zu, bei dessen Erreichen der
Leistungsschalter (V1) sperrt, worauf in der Folge wiederum der
Leistungsschalter (V2) leitend wird. Der Schaltkreis
oszilliert.
Nach einer bestimmten Anzahl von Schwingungen wird der
Kurzschluß von (Lt) weggenommen, wodurch sich die
Betriebsfrequenz des Antriebskreises wesentlich verringert.
Claims (10)
1. Ein elektronischer Ballast für eine Entladungslampe, mit
einem Antriebskreis, der der Entladungslampe hochfrequenten
Strom zuführt, und der einen ersten und einen zweiten
Leistungsschalter und des weiteren Steuerkreise aufweist, um
die Leistungsschalter so zu steuern, daß ein erster Anteil
des Lampenstroms im wesentlichen durch den ersten
Leistungsschalter und ein zweiter Anteil des Lampenstroms im
wesentlichen durch den zweiten Leistungsschalter fließt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkreise (R1, R3, R8,
R7, V3) bzw. (R2, R4, R9, R7, V4) funktionell voneinander
unabhängig sind, so daß das bedingte Schalten der
Leistungsschalter (V1) bzw. (V2) in Abhängigkeit eines
Stroms erfolgt, der durch die Leistungsschalter (V1) bzw.
(V2) fließt, wobei die Leistungsschalter (V1) bzw. (V2)
ebenso in Abhängigkeit der Dimensionen der Steuerkreise (R1,
R3, R8, R7, V3) bzw. (R2, R4, R9, R7, V4) und/oder in
Abhängigkeit einer externen Steuerung (Uohj) gesteuert
werden.
2. Ein elektronischer Ballast gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Halbwellen des
Lampenstroms durch den ersten Leistungsschalter (V1) und
die Umkehrhalbwellen des Lampenstroms durch den zweiten
Leistungsschalter (V2) fließen.
3. Ein elektronischer Ballast gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß besagte Steuerkreise (R1, R3,
R8, R7, V3) bzw. (R2, R4, R9, R7, V4) voneinander getrennt
werden können, d. h. daß keine Verbindung zur
Datenübertragung zwischen ihnen besteht, mit der die An-
oder Ausschaltzeitpunkte der Leistungsschalter (V1) bzw.
(V2) bestimmt werden.
4. Ein elektronischer Ballast gemäß einem der Ansprüche 1
bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß besagte Steuerkreise (R1, R3,
R8, R7, V3) bzw. (R2, R4, R9, R7, V4) direkt und ohne ein
Hochspannungsdifferenzierglied mit dem jeweils zugehörigen
Leistungsschalter (V1) bzw. (V2) verbunden sind, der den
Lampenstrom zuführt.
5. Ein elektronischer Ballast gemäß einem der Ansprüche 1
bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steuerkreis (R1, R3, R8,
R7, V3) bzw. (R2, R4, R9, R7, V4) sowohl mit Mitteln (R1)
bzw. (R2) versehen ist, um einen Strom abzutasten, der durch
den jeweils zugehörigen Leistungsschalter (V1) bzw. (V2)
fließt, als auch mit Mitteln (V3) bzw. (V4) versehen ist, um
den jeweils zugehörigen Leistungsschalter (V1) bzw. (V2)
entsprechend besagter Strommessung zu steuern.
6. Ein elektronischer Ballast gemäß Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steuerkreis (R1, R3, R8,
R7, V3) bzw. (R2, R4, R9, R7, V4) sowohl mit Mitteln (R1,
R3, R8, R7) bzw. (R2, R4, R9, R7) versehen ist, um einen
Strom abzutasten, der durch den jeweils zugehörigen
Leistungsschalter (V1) bzw. (V2) fließt, und um eine
Spannung abzutasten, die über dem jeweils zugehörigen
Leistungsschalter (V1) bzw. (V2) anliegt, als auch mit
Steuermitteln versehen ist, um die jeweils zugehörigen
Leistungsschalter (V1) bzw. (V2) steuerbar in einen
leitenden Zustand zu bringen, wenn jeweils eine bestimmte
Spannung über ihnen anliegt, und um sie in einen
nicht-leitenden Zustand zu bringen, sobald der Strom, der
durch sie fließt, jeweils einen bestimmten Wert (Ik) bzw.
(Ik1) erreicht.
7. Ein elektronischer Ballast gemäß Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Steuerkreis (R1, R3,
R8, R7, V3) bzw. (R2, R4, R9, R7, V4) besagte Steuermittel
jeweils einen Halbleiterschalter (V3) bzw. (V4) beinhalten,
der zwischen eine Leistungsschaltersteuerelektrode und ein
unteres Potential geschaltet ist, und der seine
Steuerelektrode zum einen mit einem ersten Punkt, der sich
zwischen dem jeweiligen Leistungsschalter (V1) bzw. (V2) und
einem jeweils mit ihm in Reihe geschaltetem Widerstand (R1)
bzw. (R2) befindet, und zum anderen mittels einer durch
jeweils einen Widerstand (R8) bzw. (R9) und jeweils einer
Kapazität (C1) bzw. (C2) gebildeten Nebenschlußverbindung
mit einem zweiten Punkt verbunden hat, wobei besagter
zweiter Punkt im wesentlichen dasselbe elektrische Potential
hat wie eine Anode (D), die der jeweils zugehörige
Leistungsschalter (V1) bzw. (V2) beinhaltet.
8. Ein elektronischer Ballast gemäß den Ansprüchen 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steuerkreis (R1, R3, R8,
R7, V3) bzw. (R2, R4, R9, R7, V4) mit jeweils einem Eingang
für eine externe Steuerungsspannung (Uohj) versehen ist, so
daß besagter Stromwert (Ik) bzw. (Ik1) jeweils variiert
werden kann, indem jeweils die Steuerungsspannung (Uohj)
variiert wird.
9. Ein elektronischer Ballast gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Punkt (A)
zwischen den Leistungsschaltern (V1, V2) und einer
Entladungslampe (DL) eine Strombegrenzungsinduktivität (Le)
angeordnet ist, die mit Mitteln (Lt, V9, V10, Uhehk)
versehen ist, um ihre Induktivität zu verändern, so daß der
Antriebskreis während des Einschaltzeitraumes der
Entladungslampe (DL) mit einer höheren Frequenz betrieben
werden kann.
10. Ein elektronischer Ballast gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß besagte Leistungsschalter (V1,
V2) MOSFET-Transistoren sind.
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