DE4412458A1 - Schaltungsanordnung zum Betrieb von Entladungslampen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von Entladungslampen insbesondere Niederdruckentladungslam­ pen, mit einem aus einer Gleichspannungsquelle gespeisten Wechselrichter, an dessen Ausgang die Reihenschaltung einer Induktivität und einer Entladungslampe angeschlossen ist und der mindestens zwei Leistungsschalter aufweist, deren Steuerelektroden mit einer Ansteuerschaltung verbunden sind.

Unter dem Betrieb einer Entladungslampe werden alle Zustän­ de der Entladungslampe vom Zünden bis zum stationären Brennen verstanden. Um die Zündung und den Betrieb der Entladungslampe zu gewährleisten, wird i. a. zwischen das Versorgungsnetz und die Entladungslampe ein Vorschaltgerät geschaltet. Das Vorschaltgerät soll so gestaltet werden, daß einerseits ein zuverlässiger Betrieb der Entladungslam­ pe gewährleistet ist und andererseits das Vorschaltgerät ko­ stengünstig in großen Stückzahlen hergestellt werden kann.

Es sind Vorschaltgeräte für Gasentladungslampen mit einer Schaltungsanordnung bekannt, in der ein Brückenwandler durch eine Gleichspannungsquelle über zwei Eingangsgleich­ spannungsklemmen gespeist wird und mindestens zwei steuerba­ re Leistungsschaltelemente aufweist. Am Ausgang des Brücken­ wandlers ist die Reihenschaltung einer Induktivität und einer Gasentladungslampe vorgesehen.

Bei den bekannten Vorschaltgeräten werden zur Schaltflanken­ begrenzung der Spannungen aus der Induktivität Kondensato­ ren verwendet, die in einen Zweig der Brückenanordnung integriert sind und möglichen Schaden am Vorschaltgerät verhindern sollen. Die asymmetrische Anordnung der Kondensa­ toren in der Brückenschaltung führt beim Schalten der Lei­ stungsschalter zu asymmetrischen Rückwirkungen auf die Gleichspannungsquelle und damit zu einer asymmetrischen Im­ pulsbelastung der Betriebsspannung. Zur Unterdrückung der Rückwirkungen dieser Grundwellenanteile aus dem Brückenwand­ ler auf das Netz muß das Netzfilter entsprechend aufwendig gestaltet werden.

Eine aufwendige Gestaltung des Netzfilters erschwert die Herstellung eines möglichst kompakten Vorschaltgerätes. Da das Vorschaltgerät von entscheidender Bedeutung für das zu­ verlässige Funktionieren einer Entladungslampe ist, wird demnach insgesamt die angestrebte einfache und kostengün­ stige Herstellung von Niederdruckentladungslampen in großen Stückzahlen erschwert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Vorschaltge­ rät zum Betrieb von Entladungslampen zu schaffen, das die asymmetrische Impulsbelastung der Versorgungsspannung minimiert und eine einfache und raumsparende Gestaltung des Netzfilters gestattet. Dabei soll ein ausreichender Schutz der Anordnung vor zu hohen Anstiegsgeschwindigkeiten der Spannung aus der Induktivität gewährleistbar sein. Ferner können in dem Lampenkreis auch Mittel zur Spannungserhöhung vorgesehen sein, die sicherstellen sollen, daß beim Betrieb an sogenannten Mittelvoltnetzen mit ca. 120V Netzspannung im Lampenkreis eine hinreichend große Wechselspannung zum Zünden der Leuchtstofflampe erzeugt werden kann.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Induktivität und die Entladungslampe Bestandteile eines Zweipols sind, in welchem Mittel zur Spannungserhöhung und/oder zur Begrenzung der Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung aus der Induktivität vorgesehen sind.

Die erfindungsgemäße Lösung des Problems ermöglicht eine derartige Integration der Mittel zur Spannungserhöhung und zur Schaltflankenbegrenzung der Induktionsspannungen aus der Induktivität in die Schaltungsanordnung, daß asymmetri­ sche Rückwirkungen der Grundschwingungen des Wechselrich­ ters auf die Gleichspannungsquelle minimiert werden und die Betriebsspannung im wesentlichen symmetrisch belastet wird. Die Reduktion der niederfrequenten (asymmetrischen) Anteile in der Schaltfrequenz des Wechselrichters vermindert den notwendigen Aufwand zur Gestaltung des Netzfilters.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß die asymmetri­ sche Impulsbelastung der Betriebsspannung vermindert werden kann, wenn die Mittel zur Schaltflankenbegrenzung und zur Spannungserhöhung mit der Entladungslampe und der Induktivität in einen Zweipol integriert werden, so daß sie symmetrisch bezüglich der beiden Zweige der Schaltungsanord­ nung, d. h. insbesondere bezüglich der Leistungsschalter, angeordnet sind.

Zur Schaltflankenbegrenzung der Spannungen aus der Indukti­ vität kann ein Kondensator verwendet werden, der in dem Zweipol parallel zu der Induktivität und der Entladungslam­ pe und somit symmetrisch bezüglich der beiden Zweige der Schaltungsanordnung angeordnet ist.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Wech­ selrichter als Halbbrücke ausgelegt.

Dabei wird der Zweipol vorzugsweise einseitig an den Aus­ gang des Wechselrichters und anderseitig an den Mittel­ anschluß des kapazitiven Spannungsteilers der Halbbrücke angeschlossen. Durch diese symmetrische Anordnung des Zweipols bezüglich der beiden Zweige der Halbbrücke wird die asymmetrische Impulsbelastung der Betriebsspannung ver­ mindert.

Die Leistungsschalter des Wechselrichters können über einen Transformator gesteuert werden, dessen Primärwicklung innerhalb des Zweipols in Reihe mit der Entladungslampe geschaltet ist.

Dabei wird die Primärwicklung des Transformators vorzugswei­ se einseitig an den dem Ausgang des Wechselrichters abge­ wandten Anschluß des Zweipols gelegt. Insbesondere in dem Fall, daß der Wechselrichter als Halbbrücke ausgelegt ist, hat bei dieser Anordnung der Transformator im Fall eines Wendelbruchs der Entladungslampe bzw. in dem Fall, daß die Lampe nicht eingesetzt ist, nur die Koppelkapazität zum Wechselrichter. Diese kann bei entsprechender Leiterplatten­ gestaltung so klein gewählt werden, daß die Eigenerregbar­ keit der Schaltungsanordnung bei fehlender oder nicht funktionierender Entladungslampe wesentlich geringer ist, als wenn der Transformator einseitig an dem Ausgang des Wechselrichters liegt und dann mit seinem zweiten Anschluß eine statisch sehr hohe Kapazität gegenüber der übrigen Schaltung hat. Im letzteren Fall können die ausgebildeten Kapazitäten den Wechselrichter zu Schwingungen mit so hohen Frequenzen anregen, daß die Leistungsschalter - z. B. Schalttransistoren - durch Erwärmung zerstört werden.

Für den Fall, daß die notwendige Brennspannung der Entla­ dungslampe größer oder gleich der am Zweipol anliegenden Spannung ist, ist es vorteilhaft, parallel zu der Lampe einen zweiten Kondensator in den Zweipol zu integrieren, der mit der Induktion einen Serienresonanzkreis zur Erhö­ hung der Spannung bildet. Auch der zweite Kondensator wird so angeschlossen, daß er symmetrisch bezüglich der Zweige der Brückenschaltung angeordnet ist.

Vorzugsweise wird dieser Kondensator einseitig an den dem Ausgang des Wechselrichters abgewandten Anschluß des Zwei­ pols gelegt, um insbesondere im Fall einer Halbbrückenanord­ nung ein Anschwingen der Anordnung bei fehlender oder nicht funktionierender Lampe zu vermeiden.

Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung einer Lampenspannung, die größer oder gleich der am Zweipol anliegenden Spannung ist, besteht darin, einen Hochfrequenz-Streufeldtransforma­ tor zur Erhöhung der Lampenspannung in den Zweipol zu integrieren, dessen Primärwicklung parallel zur Entladungs­ lampe und gegebenenfalls dem Transformator zur Ansteuerung der Leistungsschalter und dessen Sekundärwicklung in Reihe mit der Entladungslampe geschaltet ist, so daß inbesondere im Fall einer Halbbrückenanordnung bei Unterbrechung der Heizwendel oder Entfernen der Entladungslampe wiederum kein Anschwingen des Wechselrichters möglich ist.

Falls der Wechselrichter bei Entnahme der Lampe in Betrieb bleiben soll, kann der Hochfrequenz-Streufeldtransformator derart in den Zweipol integriert werden, daß die Anordnung auch ohne Lampe anschwingen kann. Dies ist möglich, wenn die Primärwicklung des Hochfrequenz-Streufeldtransformators in Reihe mit dem Transformator zur Ansteuerung der Lei­ stungsschalter geschaltet wird. Bei dieser Anordnung sind die ohmschen Verluste während des Betriebs ohne Lampe so klein und die Frequenz des Wechselrichters wird so unwesent­ lich verändert, daß keine Zerstörung der Transistoren erfolgen kann.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfol­ genden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung anhand von vier Figuren im einzelnen erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung für ein elektronisches Vorschaltgerät mit einer in einen Zweipol paral­ lel zu einem schaltflankenbegrenzenden Kondensa­ tor integrierten Entladungslampe;

Fig. 2 ein Zweipol gemäß Fig. 1 mit einem zweiten Kondensator;

Fig. 3 ein Zweipol gemäß Fig. 1 mit einem Hochfre­ quenz-Streufeldtransformator, dessen Primärwick­ lung parallel zum schaltflankenbegrenzenden Kondensator geschaltet ist;

Fig. 4 ein Zweipol gemäß Fig. 1 mit einem Hochfre­ quenz-Streufeldtransformator, dessen Primärwick­ lung parallel zum schaltflankenbegrenzenden Kondensator geschaltet und mit einem Anschluß der Entladungslampe verbunden ist;

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung für ein elektroni­ sches Vorschaltgerät zum Betrieb von Entladungslampen. Die Schaltung weist einen Netzfilter und Gleichrichter 1 auf, die an ein speisendes Wechselspannungsnetz angeschlossen werden können.

Der Gleichspannungsausgang des Netzfilters und Gleichrich­ ters 1 speist einen Wechselrichter 2 in Halbbrückenanord­ nung, an dessen Ausgang 8 die Reihenschaltung eines Zwei­ pols 3 und eines Kondensators 15 bzw. 16 in den Brückenzwei­ gen der Halbbrückenanordnung des Wechselrichters 2 ange­ schlossen ist. Der Zweipol 3 enthält die Reihenschaltung einer Induktivität 10, einer Entladungslampe 11 und der Primärwicklung 13 eines Transformators 13, 13′, 13′′, zu der parallel ein Kondensator 14 geschaltet ist.

Die Elektroden der Gasentladungslampe 11 sind zusätzlich mit einer Vorheizeinrichtung 12 verbunden. Die Primärwick­ lung 13 des Transformators liegt einseitig an dem Mittel­ anschluß 9 des kapazitiven Spannungsteilers und dient zur Ansteuerung der Leistungsschalter 4, 5 des Wechselrichters 2.

Der Wechselrichter 2 weist in den beiden Brückenzweigen der Halbrückenanordnung zwei Leistungsschalter 4, 5 auf, die in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als Transi­ storen ausgebildet sind. Antiparallel zu den Lastanschlüs­ sen der Leistungsschalter 4, 5 sind Freilaufdioden 6, 7 ge­ schaltet. Die Steuerelektroden der Leistungsschalter 4, 5 sind mit den Sekundärwicklungen 13′, 13′′ des Transforma­ tors verbunden.

Nachstehend soll die Funktionsweise des in Fig. 1 darge­ stellten Vorschaltgerätes für Entladungslampen näher erläu­ tert werden.

Die an dem Netzfilter und Gleichrichter 1 anliegende Wech­ selspannung wird umgewandelt, so daß am Ausgang des Netzfil­ ters und Gleichrichters 1 eine geglättete Gleichspannung anliegt. Diese wird mittels des Wechselrichters 2 in eine Rechteckspannung umgewandelt, indem die steuerbaren Lei­ stungsschalter 4, 5 der Halbbrückenanordnung des Wechsel­ richters 2 abwechselnd in den leitenden Zustand gebracht werden, wobei die Steuerung der Leistungsschalter 4, 5 mit Hilfe des Transformators 13, 13′, 13′′ erfolgt.

Die am Ausgang 8 des Wechselrichters 2 anstehende hochfre­ quente Wechselspannung wird der Serienschaltung aus dem Zweipol 3 und dem in dem betreffenden Brückenzweig befindli­ chen Kondensator 15 bzw. 16 zugeführt. Zum Zünden der Entla­ dungslampe 11 führt die Spannungserhöhung bei der Resonanz­ frequenz des Serienkreises, der aus der Induktivität 10 und einem Kondensator in dem Vorheizkreis 12 gebildet wird.

Der Kondensator 14 dient der Schaltflankenbegrenzung der In­ duktionsspannung aus der Spule 10. Aufgrund seiner symmetri­ schen Lage im Zweipol 3 bezüglich der beiden Zweige der Halbbrückenschaltung wird die asymmetrische Impulsbelastung der Betriebsspannung vermindert und so der Aufwand zur Un­ terdrückung der Rückwirkungen der Grundwelle des Wechsel­ richters 2 auf das Netz herabgesetzt. Durch den einseitigen Anschluß der Primärwicklung 13 des Transformators zur An­ steuerung der Leistungsschalter 4, 5 an den Mittelan­ schluß 9 des kapazitiven Spannungsteilers hat diese im Fall eines Wendelbruchs oder bei herausgenommener Entladungslam­ pe 11 zum Wechselrichter 2 nur die Koppelkapazität, wodurch die Eigenerregbarkeit der Anordnung stark vermindert wird und die Transistoren 4, 5 vor Zerstörung geschützt werden.

Eine alternative Ausführung des Zweipols 3 wird in Fig. 2 gezeigt. Dieser Zweipol weist im Vergleich zu dem in Fig. 1 gezeigten zusätzlich einen zweiten Kondensator 25 auf, der mit der Induktivität 10 einen Serienschwingkreis bildet, parallel zu der Entladungslampe 11 und dem Transfor­ mator 13 geschaltet ist und einseitig am Verbindungspunkt 9 des kapazitiven Spannungsteilers liegt. Durch die Anordnung des zweiten Kondensators 25 parallel zu der Entladungslampe 11 und dem Transformator 13 ist ein Anschwingen der Schal­ tungsanordnung bei Unterbrechung der Heizwendel oder Entfer­ nen der Entladungslampe 11 nahezu unmöglich.

Der zusätzliche Serienschwingkreis dient einer Erhöhung der Spannung an der Entladungslampe 11. Durch die starke Dämp­ fung in der Brennphase der Entladungslampe 11 wirkt diese über einen weiten Frequenzbereich. Die hier beschriebene Ausführung des Zweipols 3 ist dann zweckmäßig, wenn die notwendige Brennspannung der Entladungslampe 11 größer oder gleich der am Zweipol 3 anliegenden Spannung ist. Wichtig ist, daß der Anschluß des zusätzlichen Kondensators 25 an den Verbindungspunkt 9 des kapazitiven Spannungsteilers eine asymmetrische Impulsbelastung des Netzes verringert.

Eine weitere alternative Ausführung des Zweipols 3, die ebenfalls zum Betrieb von Entladungslampen mit höherer Brennspannung als der am Zweipol 3 anliegenden Spannung geeignet ist, wird in Fig. 3 gezeigt. Dieser Zweipol 3 setzt sich zusammen aus der Reihenschaltung der Sekundär­ wicklung 20′ eines Hochfrequenz-Streufeldtransformators, der Entladungslampe 11 und der Primärwicklung 13 des Trans­ formators zum Ansteuern der Leistungsschalter 4, 5, wozu die Primärwicklung 20 des Hochfrequenz-Streufeldtransforma­ tors und der Kondensator 14 zur Schaltflankenbegrenzung jeweils parallel geschaltet sind.

Der Hochfrequenz-Streufeldtransformator 20, 20′ ist dabei magnetisch so gekoppelt, daß er spannungserhöhend für die Entladungslampe wirkt. Für den Einsatz in Netzen von 110V - 120V sollte vorzugsweise ein Windungsverhältnis von eins gewählt werden. Durch den hochfrequenten Streufeldcharakter des Transformators 20, 20′ ist ein weiter Bereich für die Brennspannung der Entladungslampe 11 möglich. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen des Zweipols ist bei Un­ terbrechung der Heizwendel oder Entfernen der Entladungslam­ pe 11 kein Anschwingen des Wechselrichters 2 möglich.

Eine vierte Alternative zur Ausführung des Zweipols 3 wird in Fig. 4 gezeigt. Der Zweipol enthält dieselben Bestand­ teile wie der in Fig. 3 dargestellte, allerdings ist in diesem Fall die Primärwicklung 20 des Hochfrequenz-Streu­ feldtransformators einseitig an den Ausgang 8 des Wechsel­ richters 2 angeschlossen und anderseitig an die Verbindungs­ linie der Entladungslampe 11 und des Transformators 13 zur Ansteuerung der Leistungsschalter 4, 5. Diese Anordnung kann im Unterschied zu den vorher beschriebenen nach ent­ sprechender Anregung auch ohne Entladungslampe anschwingen.

Da die Frequenz dieser Schwingungen nur wenig höher als im Normalbetriebsfall liegt und außerdem die ohmschen Verluste bei herausgenommener Entladungslampe 11 so klein sind, daß keine Zerstörung der Transistoren 4, 5 erfolgen kann, ist diese Anordnung für solche Anwendungen geeignet, bei denen die Wechselrichterfunktion bei Entnahme der Entladungslampe 11 erhalten bleiben soll. Bei einem Windungsverhältnis des Hochfrequenz-Streufeldtransformators (20, 20′) von eins ergibt sich ohne Entladungslampe etwa eine Verdopplung der Spannung an den Lampenanschlüssen gegenüber der Spannung an dem Zweipol 3.

Die aus den Patentansprüchen ersichtlichen, möglichen Ausführungsformen der Erfindung beschränken sich nicht auf Wechselrichter in Halbbrückenanordnung. Die erfindungsgemä­ ße, symmetrische Anordnung der Mittel zur Schaltflankenbe­ grenzung und zur Spannungserhöhung in einen Zweipol ist in gleicher Weise bei einem als Vollbrücke ausgelegten Wechsel­ richter anwendbar.

Claims (11)

1. Schaltungsanordnung zum Betrieb von Entladungslampen, insbesondere Niederdruckentladungslampen, mit einem aus einer Gleichspannungsquelle gespeisten Wechselrichter, an dessen Ausgang die Reihenschaltung einer Induktivi­ tät und einer Entladungslampe angeschlossen ist und der mindestens zwei Leistungsschalter aufweist, deren Steuerelektroden mit einer Ansteuerschaltung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (10) und die Entladungslampe (11) Bestandteile eines Zweipols (3) sind, in welchem Mittel zu Spannungserhöhung und/oder zur Begrenzung der An­ stiegsgeschwindigkeit der Spannung aus der Induktivität (10) vorgesehen sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in dem Zweipol (3) ein schaltflankenbe­ grenzender Kondensator (14) parallel zu der Induktivi­ tät (10) und der Entladungslampe (11) geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wechselrichter (2) in Halbbrücken­ anordnung aufgebaut ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zweipol (3) einseitig an den Ausgang (8) des Wechselrichters (2) und anderseitig an den Mit­ telanschluß (9) eines kapazitiven Spannungsteilers (15, 16) angeschlossen ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweipol (3) die Primärwicklung (13) eines Transformators zum Ansteu­ ern der Leistungsschalter (4, 5) enthält, die in Reihe mit der Entladungslampe (11) geschaltet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Primärwicklung (13) des Transforma­ tors zum Ansteuern der Leistungsschalter (4, 5) einsei­ tig an den dem Ausgang (8) des Wechselrichters (2) abge­ wandten zweiten Anschluß des Zweipols (3) angeschlossen ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (25) in dem Zweipol (3) einen Serienresonanzkreis mit der Induktivität (10) bildet und parallel zu der Entla­ dungslampe (11) geschaltet ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kondensator (25) einseitig an den dem Ausgang (8) des Wechselrichters (2) abgewandten zweiten Anschluß des Zweipols (3) angeschlossen ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochfrequenz- Streufeldtransformator (20, 20′) primärseitig mit den beiden Anschlüssen des Zweipols (3) verbunden und sekun­ därseitig in Reihe zu der Entladungslampe (11) geschal­ tet ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Hochfrequenz-Streufeldtransformator (20, 20′) primärseitig mit dem Ausgang (8) des Wechsel­ richters (2) und mit dem dem zweiten Anschluß des Zwei­ pols abgewandten Anschluß der Primärwicklung (13) des Transformators zum Ansteuern der Leistungsschalter (4, 5) verbunden und sekundärseitig in Reihe zu der Entla­ dungslampe (11) geschaltet ist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Windungsverhältnis der beiden Spulen des Hochfrequenz-Streufeldtransformators (20, 20′) eins beträgt.