DE4341809A1

DE4341809A1 - Starting and driving device for gas-discharge lamps

Info

Publication number: DE4341809A1
Application number: DE19934341809
Authority: DE
Inventors: Siegfried Bruenner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-12-08
Filing date: 1993-12-08
Publication date: 1995-06-14

Abstract

The starting device comprises an AC current source (1,2) a bridge rectifier (3-7), a switched current of voltage stabiliser (10-12) and a voltage multiplier circuit (13-20). Diodes (8,9) separate high starting voltages from the current of voltage stabiliser and firing current supply components (3-7, 10,11), which are then dimensioned according to running current needs only. Time constants are selected for network frequency, load capacitor (7), stabiliser and gas discharge lamps (21,22) so that the lamps do not extinguish throughout the whole running voltage range. Electrical connections outside the starting device carry no high frequency voltages.

Description

Die Erfindung betrifft den Kalt- und Warmstart von Gasentladungslampen. Sie ermöglicht die Reihenschaltung von Gasentladungslampen. Die Summe aller Brennspannungen darf sich dem Scheitelwert der unteren Betriebsspannung nähern. Die bevorzugte Anwendung sind Niederdruck leuchtstofflampen.The invention relates to the cold and warm start of gas discharge lamps. It enables that Series connection of gas discharge lamps. The sum of all burning voltages may Approach the peak value of the lower operating voltage. The preferred application is low pressure fluorescent lamps.

Bei einfachen Vorschaltgeräten für Gasentladungslampen ergibt sich ein Widerspruch zwischen Brennspannung und Betriebsspannung der Gesamtschaltung. Diese Differenz belastet den Wir kungsgrad der Lampe bzw. beeinflußt die Startsicherheit. Dieser Widerspruch führt einmal zur Konstruktion von Hochfrequenz- oder Transformatorvorschaltgeräten mit gutem Wirkungsgrad und Drosselvorschaltgeräten mit einfachem Aufbau. Andere Vorschaltgeräte sind diesen Systemen im Wirkungsgrad meist unterlegen. Bekannte Gleichstromvorschaltgeräte ("Vorschaltgeräte und Schaltungen für Niederspannungsentladungslampen" Dr.-Ing. C. H. Sturm 5. neubearbeitete Auflage BROWN, BOVERI & CIE) müssen in vielen Komponenten nach Gesichtspunkten für die Startspannung dimensioniert werden, da keine scharfe Trennung zwischen Startspannung und Brennspannung erfolgt. Als sehr ähnlich müssen die US-Patente 4045710 und 4051411 angese hen werden. Ihr Nachteil ist, die nicht so scharfe Trennung der Startspannung.With simple ballasts for gas discharge lamps, there is a contradiction between Burning voltage and operating voltage of the overall circuit. This difference burdens the we Degree of efficiency of the lamp or influences the starting safety. This contradiction leads to Construction of high frequency or transformer ballasts with good efficiency and Choke ballasts with simple construction. Other ballasts are included in these systems Mostly inferior to efficiency. Known DC ballasts ("ballasts and Circuits for low-voltage discharge lamps "Dr.-Ing. C. H. Sturm 5th revised Edition BROWN, BOVERI & CIE) have to be in many components for the Start voltage must be dimensioned because there is no sharp separation between the start voltage and Burning voltage occurs. U.S. Patents 4045710 and 4051411 must be considered to be very similar will be. Their disadvantage is the less sharp separation of the starting voltage.

Das Ziel der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad von Hochfrequenzvorschaltgeräten bei gleichzeitig einfacherer Struktur des Vorschaltgerätes zu erreichen bzw. zu überbieten. Hochfrequenzvor schaltgeräte besitzen einen (teils geregelten) AC-DC-Wandler und danach einen (teils geregelten) DC-AC-Wandler. Dieser DC-AC-Wandler darf im Bereich der Energieübertragung nicht unter Leerlaufbedingungen betrieben werden, da damit ein Hochfrequenzstörfeld entsteht, daß nicht mehr beherrschbar ist. Um eine ausreichende elektromagnetische Verträglichkeit zu erreichen, muß man sich dem Fall der Anpassung (mit all seinen Nachteilen beim Wirkungsgrad) nähern. Bei dem erfindungsgemäßen Vorschaltgerät wird so der prinzipielle Wirkungsgrad bei der Energieumwand lung verbessert (die Zahl der Umwandelungsstufen wurde verringert und der im Wirkungsgrad günstige Leerlaufbetrieb wird erreicht). Die elektromagnetische Verträglichkeit wurde verbessert, da keine Hochfrequenz das Gerät prinzipiell verläßt. Es ist nur mit einer Reststrahlung zu rechnen. Das Problem der Kataphorese wird hier nicht behandelt, da sie kein Bestandteil der Patentan sprüche ist.The aim of the invention is to reduce the efficiency of high frequency ballasts at the same time to achieve or surpass the simpler structure of the ballast. Radio frequency switching devices have a (partly regulated) AC-DC converter and then a (partly regulated) DC-AC converter. This DC-AC converter must not be in the area of energy transmission Idle conditions are operated, since this creates a high-frequency interference field that does not is more manageable. To achieve sufficient electromagnetic compatibility, must one approaches the case of adaptation (with all its disadvantages in terms of efficiency). In which ballast according to the invention is the basic efficiency in energy conversion improved (the number of conversion stages has been reduced and that in efficiency favorable idle operation is achieved). The electromagnetic compatibility has been improved since no high frequency leaves the device in principle. Only residual radiation can be expected. The problem of cataphoresis is not dealt with here since it is not part of the patent is sayings.

Die Beschreibung der Einrichtung erfolgt anhand von Fig. 1. Eine Wechselstromquelle (1, 2), ein Brückengleichrichter (3-7) ein geschalteter Strom- oder Spannungsstabilisator (10-12) und eine Spannungsvervielfacherschaltung (13-20) werden zu einem Vorschaltgerät verbunden (8, 9), daß den Start und den Betrieb von Gasentladungslampen (21, 22) ermöglicht. Im Moment des Ein schalten speist der Stromstabilisator den Brennstrom in den Heizkreis, da der Starter 22 die Lampe über den Heizkreis kurzschließt. Nach dem Öffnen des Starters wird über die Spannungsver vielfacherschaltung innerhalb von 75% der Periodendauer der Frequenz der Betriebsspannung die Zündspannung aufgebaut. Erfolgt kein Warmstart, so kann sich die Startspannung bis zum Kaltstart aufbauen. Erfolgt kein Kaltstart, so hängt es vorn Starter ab, ob der Startvorgang wiederholt wird. Die Stromquelle und die Betriebsstromversorgung muß nur nach Kriterien der Brennspannung dimensioniert werden. Die Zeitkonstante von Netzfrequenz, Ladekondensator (7), Stabilisator (12) und Gasentladungslampe (21) wird so abgestimmt, daß die Gasentladungslampe im gesamten Betriebsspannungsbereich nicht verlischt. Es erfolgt so eine optimale Anpassung der Brennspannung einer einzelnen Lampe oder von Reihenschaltungen an die Netzspannung. Es muß nur die Differenz zwischen der Brennspannung und Eingangsspannung kompensiert werden. Die bei Schaltnetzteilen übliche Energierückgewinnung aus der Speicherdrossel sorgt für einen optimalen Wirkungsgrad. Die bei Hochfrequenzvorschaltgeräten übliche Transformation der Gesamtleistung findet nicht statt. Die Kabel außerhalb des Vorschaltgerätes führen keine Hochfrequenz, so daß eine gute elektromagnetische Verträglichkeit gewährleistet ist. Die Hochspannung zum Starten belastet nur die Elemente 8, 9, 13-22 der Schaltung. Im Beispiel wurde die Startspannung auf 4mal Spitzenspannung der Betriebsspannung festgelegt. Durch die Erweiterung bzw. Reduktion der Spannungsvervielfacherschaltung kann das Vorschaltgerät an unterschiedliche Startspannungen angepaßt werden.The description of the device is based on Fig. 1. An AC power source ( 1 , 2 ), a bridge rectifier ( 3-7 ), a switched current or voltage stabilizer ( 10-12 ) and a voltage multiplier circuit ( 13-20 ) are connected to a ballast ( 8 , 9 ) that enables the start and operation of gas discharge lamps ( 21 , 22 ). At the moment of switching on, the current stabilizer feeds the combustion current into the heating circuit, since the starter 22 short-circuits the lamp via the heating circuit. After opening the starter, the ignition voltage is built up via the voltage multiplier circuit within 75% of the period of the frequency of the operating voltage. If there is no warm start, the starting voltage can build up until the cold start. If there is no cold start, it depends on the starter whether the starting process is repeated. The power source and the operating power supply need only be dimensioned according to criteria of the burning voltage. The time constant of the mains frequency, charging capacitor ( 7 ), stabilizer ( 12 ) and gas discharge lamp ( 21 ) is adjusted so that the gas discharge lamp does not go out in the entire operating voltage range. There is thus an optimal adaptation of the operating voltage of a single lamp or of series connections to the mains voltage. Only the difference between the burning voltage and the input voltage has to be compensated. The usual energy recovery from the storage choke in switching power supplies ensures optimum efficiency. The transformation of the total power that is common with high-frequency ballasts does not take place. The cables outside the ballast do not carry a high frequency, so that good electromagnetic compatibility is guaranteed. The high voltage for starting loads only the elements 8 , 9 , 13-22 of the circuit. In the example, the starting voltage was set to 4 times the operating voltage. By extending or reducing the voltage multiplier circuit, the ballast can be adapted to different starting voltages.

Ein Ausführungsbeispiel für ein Kaltstartvorschaltgerät ist in der Fig. 2 dargestellt. Die Elemente 23-29 ergeben einen AC-DC- Wandler. Die Elemente 32-39 ergeben einen Spannungsvervielfacher mit hohem Innenwiderstand. Die Elemente 43-56 ergeben einen Stromstabilisator. Nach dem Zuschalten der Betriebsspannung schaltet der Stromstabilisator auf Durchgang. Es kommt zu keinem Stromfluß in der Kaltstartversion, da die gleichzeitig aktive Spannungsvervielfacherschal tung die Startspannung aufbaut (Bei Warmstart würde hier der Heizstrom bereitgestellt werden). Durch den Starthilfskondensator 40 bildet sich die Startspannung zum größten Teil an der Gasent ladungslampe 41 aus. Nach dem Zünden der Lampe 41 entsteht die Startspannung an der Lampe 42. Nach dem Zünden beider Lampen aus der Energie der Kondensatoren 38 und 39 gehen die Trenndioden 30 und 31 in den leitenden Zustand über. Der geschaltene Stromstabilisator liefert sofort Strom und begrenzt ihn auf den eingestellten Strom. Da der Stromstabilisator ein Schaltreg ler ist, erfolgt die Energierückspeisung in den Lampenstromkreis. Während dieser Zeit bleibt die Spannung am FET-Schalter auf die Scheitelspannung der Betriebsspannung beschränkt. Es können so relativ preisgünstige Elemente für den Schalter eingesetzt werden. Im Fall vorn Kurzschlüssen im Lampenstromkreis wird der Strom vorn Stromstabilisator begrenzt. Der belastete Spannungsver vielfacher speist seinen Strom ebenfalls in den Lampenstromkreis ein. Durch die CMOS-Struktur belastet der Stromstabilisator die Energiebilanz des Vorschaltgerätes gering.An embodiment of a cold start ballast is shown in FIG. 2. Elements 23-29 result in an AC-DC converter. Elements 32-39 result in a voltage multiplier with high internal resistance. Elements 43-56 provide a current stabilizer. After switching on the operating voltage, the current stabilizer switches to continuity. There is no current flow in the cold start version, since the simultaneously active voltage multiplier circuit builds the start voltage (the heating current would be provided here if the start was warm). By the start auxiliary capacitor 40, the starting voltage for the most part forms discharge lamp at the gas- 41.. After the lamp 41 has been ignited, the starting voltage arises at the lamp 42 . After the ignition of both lamps from the energy of the capacitors 38 and 39 , the isolating diodes 30 and 31 change to the conductive state. The switched current stabilizer delivers current immediately and limits it to the set current. Since the current stabilizer is a switching regulator, the energy is fed back into the lamp circuit. During this time, the voltage at the FET switch remains limited to the peak voltage of the operating voltage. Relatively inexpensive elements can thus be used for the switch. In the event of short circuits in the lamp circuit, the current at the current stabilizer is limited. The voltage multiplier loaded also feeds its current into the lamp circuit. Thanks to the CMOS structure, the current stabilizer has a low impact on the ballast's energy balance.

BezugszeichenlisteReference list

Fig. 1 Fig. 1

1, 2 Eingang Betriebsspannung
3, 4, 5, 6 Dioden Brückengleichrichter (Brennspannung)
7 Ladekondensator Brückengleichrichter (Brennspannung)
8, 9 Dioden zur Trennung von Brennspannungs- und Zündspannungsgleichrichter
10 Speicherdrossel
11 Freilaufdiode zur Energierückgewinnung
12 Geschalteter Strom- oder Spannungsstabilisator zur Brennstromeinstellung
13, 14 Boosterkondensatoren Spannungsvervielfacher
15, 16, 17, 18 Dioden Spannungsvervielfacher
19, 20 Ladekondensatoren Spannungsvervielfacher
21 Gasentladungslampe
22 Starter Gasentladungslampe 1 , 2 input operating voltage
3 , 4 , 5 , 6 diode bridge rectifier (burning voltage)
7 charging capacitor bridge rectifier (burning voltage)
8 , 9 diodes to separate the fuel voltage and ignition voltage rectifiers
10 storage choke
11 freewheeling diode for energy recovery
12 Switched current or voltage stabilizer for setting the combustion current
13 , 14 booster capacitors voltage multiplier
15 , 16 , 17 , 18 diode voltage multiplier
19 , 20 charging capacitors voltage multiplier
21 gas discharge lamp
22 Starter gas discharge lamp

Fig. 2 Fig. 2

23, 24 Eingang Betriebsspannung
25, 26, 27, 28 Dioden Brückengleichrichter (Brennspannung)
29 Ladekondensator Brückengleichrichter (Brennspannung)
30, 31 Dioden zur Trennung von Brennspannungs- und Zündspannungsgleichrichter
32, 33 Boosterkondensatoren Spannungsvervielfacher
34, 35, 36, 37 Dioden Spannungsvervielfacher
38, 39 Ladekondensatoren Spannungsvervielfacher
40 Starthilfskondensator
41, 42 Gasentladungslampe
43 Speicherdrossel Stromstabilisator
44 Freilaufdiode Stromstabilisator
45 Schalter FET Stromstabilisator
46 Widerstand Stromversorgung Stromstabilisator
47 Kondensator Stromversorgung Stromstabilisator
48, 49, 50 Widerstand Strommessung Stromstabilisator
51 Kondensator Strommessung Stromstabilisator
52 Transistor Strommessung Stromstabilisator
53 Widerstand Strommessung Stromstabilisator
54, 55 CMOS-Schmitt-Trigger Stromstabilisator
56 Z-Diode Stromversorgung Stromstabilisator 23 , 24 Input operating voltage
25 , 26 , 27 , 28 diode bridge rectifier (burning voltage)
29 charging capacitor bridge rectifier (burning voltage)
30 , 31 diodes to separate the fuel voltage and ignition voltage rectifiers
32 , 33 booster capacitors voltage multiplier
34 , 35 , 36 , 37 diode voltage multiplier
38 , 39 charging capacitors voltage multiplier
40 booster capacitor
41 , 42 gas discharge lamp
43 Storage choke current stabilizer
44 free-wheeling diode current stabilizer
45 switch FET current stabilizer
46 Resistor power supply current stabilizer
47 Capacitor power supply current stabilizer
48 , 49 , 50 resistance current measurement current stabilizer
51 capacitor current measurement current stabilizer
52 Transistor current measurement current stabilizer
53 Resistance current measurement current stabilizer
54 , 55 CMOS Schmitt trigger current stabilizer
56 Z-diode power supply current stabilizer

Claims

1. The device for starting and operating gas discharge lamps with direct current and energy recovery is characterized in that an alternating current source ( 1 , 2 ), a bridge rectifier ( 3-7 ), a switched current or voltage stabilizer ( 10-12 ) and a voltage multiplier circuit ( 13-20 ) to a ballast ( 8 , 9 ) that enables the start (cold and warm start) and the operation of gas discharge lamps ( 21 , 22 ).

2. The device according to claim 1 is characterized in that the current-voltage stabilizer ( 12 ) and the combustion power supply ( 3-7 , 10 , 11 ) only have to be dimensioned according to the criteria of the operating power supply.

3. The device according to claim 1 is characterized in that the time constant of the mains frequency, charging capacitor ( 7 ), stabilizer ( 12 ) and gas discharge lamp ( 21 ) is adjusted so that the gas discharge lamp does not go out in the entire operating voltage range. There is thus an optimal adaptation of the operating voltage of a single lamp or of series connections to the mains voltage.

4. The device according to claim 1 is characterized in that only the difference between the operating voltage and operating voltage must be compensated. The at Switched-mode power supplies usual energy recovery from the storage choke ensures one optimal efficiency.

5. The device according to claim 1 is characterized in that the cable outside the ballast lead no high frequency, so that a good electromag net compatibility is guaranteed.

6. The device according to claim 1 is characterized in that the high voltage for starting only loads the elements ( 8 , 9 , 13-22 ) of the circuit.

7. The device according to claim 1 is characterized in that the diodes ( 8 , 9 ) separate high voltage for starting the rest of the circuit.

8. The device according to claim 1 is characterized in that the return pulse of the storage inductor does not add to the reverse voltage of the semiconductor switch (except short pulses which are caused by the dynamic blocking behavior of the diodes 8 , 9 and 11 ). The elements mentioned in the claims relate to FIG. 1.