DE69810111T2

DE69810111T2 - Elektrisches schaltnetzteil für ein hybrides beleuchtungssystem

Info

Publication number: DE69810111T2
Application number: DE69810111T
Authority: DE
Inventors: Shaul Barak; Shafrir Romano; Zvi Schreiber; Victor Zinkler
Original assignee: Lightech Electronics Industries Ltd
Current assignee: Lightech Electronics Industries Ltd
Priority date: 1997-06-16
Filing date: 1998-06-16
Publication date: 2003-08-21
Anticipated expiration: 2018-06-17
Also published as: CA2293455A1; EP0992179A1; CA2645394A1; ATE229731T1; EP0992179B1; AU7786798A; EP1233656A1; CA2645393A1; DE69810111D1; CA2645395A1; US6515437B1; WO1998058525A1

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft Stromversorgungen für Beleuchtungssysteme.

TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In den letzten Jahren wurden neue Formen der Beleuchtung einschließlich Niederspannungshalogenlampen und Gasentladungslampen, wie z. B. kompakte Fluoreszenz- und Hochintensitätsgasentladungslampen (oder HID-Lampen, die Halogenmetalle beinhalten, und Natriumlampen) zunehmend populär, was sie ihrer besonders guten Effizienz und Lichtfarbe verdanken. Anders als konventionelle Glühlampen, die direkt mit der öffentlichen 120 V/60 Hz oder 230 V/50 Hz Energieversorgung betrieben werden können, erfordern diese Lampen Energieversorgungen. Insbesondere Niederspannungshalogenlampen erfordern einen Transformator, um eine Spannung typischerweise gleich 12 V zur Verfügung zu stellen, und Gasentladungslampen erfordern einen Zündmechanismus und ein Vorschaltgerät, um die durchfließenden Ströme zu steuern.
Mit der gestiegenen Popularität dieser Lampentypen wird es zunehmend wichtig, ökonomische und ästhetische Wege des Zurverfügungstellens ihrer Energieanforderungen zu finden. Es ist ebenso wünschenswert, vielseitigere Stromzuführungssysteme zur Verfügung zu stellen, die es den Konsumenten erlauben, verschiedene Lampentypen miteinander zu vermischen in einer Art und Weise, die bislang nicht möglich war.
In diesem Kontext ist es wichtig zu bemerken, daß alle bekannten Ansätze der Energieversorgung von modernen Lampen eine einzelne Leistungsquelle für jede Lampe vorsehen (mit der begrenzten Ausnahme, daß identische Niederspannungshalogenlampen parallel an einem einzigen Transformator in einer Anordnung, die als Niederspannungslichtstrang bekannt ist, verbunden werden können), wobei solch eine Anordnung notwendigerweise kostspielig und unästhetisch ist, da einzelne Leistungsquellen voluminös und teuer sind.
Es ist im Stand der Technik bekannt, daß der Transformator für eine Niederspannungslampe durch einen kleinen ferritbasierten Transformator ersetzt werden kann, wenn die Eingangsspannung durch einen elektronischen Inverter bzw. Wechselrichter geleitet wird, der eine Rechteckspannung von hoher Frequenz, typischerweise etwa 30 KHz, erzeugt.
Es ist ebenso bekannt, daß ein Vorschaltgerät für eine Gasentladungslampe, in dem die Hauptkomponente typischerweise eine Induktivität ist, durch Verwendung von elektronischen Schaltkreisen, die zu einer Hochfrequenz schalten, die wieder typischerweise in der Ordnung von 30 KHz liegt, kleiner hergestellt werden kann.
Insbesondere der Ansatz der Invertierung der 50 Hz oder 60 Hz Energieversorgung, um einen Hochfrequenzstrom von 30 KHz moduliert mit 50 Hz oder 60 Hz zu verursachen, wurde als auf HID- Lampen nicht anwendbar erachtet, da der Lichtbogen in den HID-Lampen wahrscheinlich an dem Nulldurchgang der Einhüllenden erlischt aufgrund der Tatsache, daß die Amplitude der mit hoher Frequenz alternierenden Spannung für etliche Millisekunden sehr klein wird. Somit gibt es bis jetzt weder einen praktikablen Weg, um alle Elemente der Energiezuführung für Halogen und HID zu vereinheitlichen, noch hat man sich das Konzept einer zentralen Einheit mit einigen gemeinsamen Elementen vorgestellt.
Zusätzlich zu der offensichtlich fehlenden Kompatibilität der Ansätze, um die Energiezuführung für Halogen und HID zu miniaturisieren, leidet die Verwendung von Hochfrequenz sogar für Systeme eines Lampentyps unter einem Nachteil: nämlich dem, daß die 30 KHz Rechteckwelle, die für die Beleuchtung in Stromzuführungen verwendet wird, notwendigerweise starke Harmonische bzw. Oberwellen von viel höherer Frequenz als 30 KHz enthält. Wenn die Stromzuführung nicht neben der Lampe ist, fungieren die Drähte, die die beiden Teile miteinander verbinden, als eine Übertragungsleitung, die elektromagnetische Strahlung emittiert, die mit umgebenden Geräten interferieren kann und die den europäischen, den FCC- oder einen äquivalenten Standard für die elektromagnetische Kompatibilität verletzen kann. Es ist klar, daß dieser Nachteil weit ernsthafter wird, wenn die Leistung erhöht wird und wenn sich das Beleuchtungssystem über größere Distanzen erstreckt. In der Praxis setzt dies eine Grenze für die Anzahl von Lampen, die gleichzeitig an das System angeschlossen werden können.
Eine Niederspannungslichtstrecke, die bei 12 V betrieben wird, ist bekannt, die speziell für Niederspannungshalogenlichter konstruiert ist und die manchmal von einem sogenannten elektronischen Transformator versorgt wird, der einen zentralen Invertierer in Kombination mit einem zentralen Transformator beinhaltet. Solch ein System leidet unter dem oben beschriebenen Problem und dies wird im allgemeinen gelöst durch Begrenzen der Länge des Systems, insbesondere in Europa, auf etwa 2 m und durch Begrenzen des Stroms auf etwa 20 A oder etwa 25 A, um die Größe der elektromagnetischen Strahlung, die von dem System ausgeht, zu begrenzen. Es ist klar, daß dieses System nicht mit anderen Lampen als Niederspannungslampen verwendet werden kann.
Die JP 07272871 von Yoshitake Corporation zeigt ein Beleuchtungssystem, das eine Hauptstromzuführung, die eine 100/200 AC-Spannung bei einer Frequenz von 50/60 Hz zur Verfügung stellt, und einen Hochfrequenzwandler aufweist, der verwendet wird, um die Wechsel- (AC-) Spannung in eine Hochfrequenzspannung mit einer Frequenz von 20 KHz oder höher umzuwandeln. Hochfrequenzvorschaltgeräte werden zur Verfügung gestellt, um die Hochfrequenzwechselspannung direkt zu der Fluoreszenzlampe zuzuführen. Durch solche Maßnahmen kann die Drosselspule in dem Lampenvorschaltgerät in der Größe verglichen mit einer Drosselspule, die bei einer niedrigen Frequenz arbeitet, reduziert werden.
Solch ein Beleuchtungssystem ist geeignet für die Versorgung von Hochspannungs- /Hochfrequenzlampen, ist jedoch nicht geeignet für die Versorgung von anderen Lampenarten, wie z. B. HID-Lampen, die typischerweise bei niedriger Frequenz und Spannung betrieben werden.
Die JP 07272871 setzt detaillierter gesagt nur eine einzelne Frequenzumwandlung ein. Damit die resultierende Hochfrequenz optimal für die Verwendung bei Fluoreszenzlampen geeignet ist, wird die Niederfrequenzhauptspannung bei 50/60 Hz in eine Hochfrequenzspannung, die 20 KHz übersteigt, umgewandelt. Diese Frequenz ist jedoch nicht geeignet für die Verwendung mit HID- Lampen, die mit weniger als 10 KHz betrieben werden müssen und in der Praxis normalerweise mit einer Frequenz zwischen 0,5 und 1,0 KHz betrieben werden. Die Umwandlung in Hochfrequenz erlaubt es, daß kleinere Vorschaltgeräte, die eine Drossel mit Ferritkern einsetzen, zwischen der Hochfrequenzspannungsquelle und den einzelnen Fluoreszenzlampen geschaltet werden, die Anordnung ist jedoch nicht eine Hybridbeleuchtungsstromzuführung, da sie nur für eine Art von Lampen (das heißt Fluoreszenzlampen) geeignet ist und nicht für die Versorgung von HID-Lampen geeignet ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher ein Ziel der Erfindung, Lichtsysteme, die gemischte Lampentypen (Netzspannungsglühlampen, Niederspannungsglühlampen, Fluoreszenzentladungslampen, kompakte Fluoreszenzentladungslampen und Entladungslampen hoher Intensität (und/oder gemischte Befestigungssysteme (Leiterbahnen, Einbaulampen)) aufweisen, durch einen zentralen Stromzuführungsschaltkreis, der eine Anzahl von Funktionen durchführt, die für alle Lampen relevant sind, während man Nebenstromzuführungssysteme neben den einzelnen Lampen hat, die relativ sehr klein und sehr kostengünstig sind, ökonomisch und ästhetisch zu betreiben.
Eine Schlüsselfunktion, die gemäß der Erfindung zentral erreicht werden kann, ist die Inversion bzw. Umwandlung der Netzspannung in einen Strom von einer viel höheren Frequenz.
Ein Schlüsselaspekt der Erfindung ist ein innovativer Ansatz für ein Vorschaltgerät für HID- Lampen, das in der Lage ist, mit einer zentralen Quelle von Hochfrequenzstrom zu arbeiten, selbst wenn der Strom durch eine gleichgerichtete 50 Hz- oder 60 Hz-Einhüllende moduliert ist. Dies wird erreicht durch Verwendung von höheren Spannungen als üblich oder durch Verwendung einer Energiespeichervorrichtung (Talfüllung bzw. Valley Fill), um über die Freigabe zu der Lampe Energie zu speichern, um den Lichtbogen zu Zeiten um den Nulldurchgang der modulierenden Einhüllenden herum beizubehalten.
Ein anderer Schlüsselaspekt der Erfindung ist ein innovativer Ansatz, um Hochfrequenzstrom zu erzeugen, der keine Rechteckwelle ist, sondern eher schwächere Harmonische als eine Rechteckwelle hat oder in einer Ausführungsform, in der eine Induktivität und eine Kapazität in der Hauptenergieversorgung zusammen mit der externen Last einen resonanten Schaltkreis bilden, eine virtuelle Sinuskurve ist, wodurch jedes Problem der Radiointerferenz reduziert wird. Weiterhin ist es eine der Ideen gemäß der Erfindung, die RMS-Spannung (effektiver Mittelwert der Spannung), die von der Hauptenergieversorgung ausgeht, wesentlich höher als 12 V zu halten, was der übliche Wert in dem einzigen Hochfrequenzsystem ist, das heutzutage in Verwendung ist (der sogenannte Niederspannungslichtstrang, der mit einem sogenannten elektronischen Transformator betrieben wird), wodurch es ermöglicht wird, daß weit kleinere Ströme verwendet werden, wodurch die Radioemission weiter reduziert wird und ebenso die ohmschen Verluste reduziert werden. Insbesondere erlauben diese Erfindungen, daß die Leiter, die die Leistung zu den Beleuchtungskörpern tragen, Dutzende von Metern in der Länge sein können verglichen mit den 2 m, die, insbesondere in Europa, in Niederspannungslichtpfaden akzeptiert werden und es dem System erlauben, Hunderte oder ein paar Tausend Watt Leistung zu tragen verglichen mit etwa 250 W, was ein üblicher Wert in existierenden Systemen ist.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine bessere Leistung und weitere Einsparungen durch optionale Zentralisierungsfunktionen einschließlich der Blindstromkompensation, der Talfüllung, der Zuführung von Niederspannungsleistung (typischerweise 3 V) für die Elektrodenheizung von kompakten Fluoreszenzlampen, Schutzschaltkreisen, Hochfrequenzfiltern und Spannungsstabilisatoren zur Verfügung zu stellen.
Gemäß der Erfindung wird ein Beleuchtungssystem zur Verfügung gestellt, das aufweist:
einen Stromversorgungsschaltkreis mit einem Eingangsanschluß für das Verbinden mit einer Spannungsquelle einer niedrigen Fundamentalfrequenz für das Zurverfügungstellen einer Ausgangsspannung, die mit einer Fundamentalfrequenz zwischen näherungsweise 15 KHz und 50 KHz alterniert, und
ein Leiterpaar, das mit einem Ausgangsanschluß des Stromversorgungsschaltkreises verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin zur Verfügung gestellt wird:
ein zweiter Stromversorgungsschaltkreis für die Verwendung mit einer Gasentladungslampe mit hoher Intensität, die mit dem Leiterpaar verbunden ist, wobei die zweite Stromversorgungseinheit aufweist:
ein Paar Eingangsanschlüsse für die Verbindung mit den Leitern,
ein Vorschaltgerät, das mit den Eingangsanschlüssen verbunden ist, für das Stabilisieren der Größe des Stroms und
ein Paar von Ausgangsanschlüssen, die mit dem Vorschaltgerät verbunden sind, zum Anschließen einer HID-Lampe,
wobei die zweite Stromversorgungseinheit weiterhin eine Frequenzumwandlungseinrichtung an den Ausgangsanschlüssen aufweist für das Umwandeln der hohen Fundamentalfrequenz in eine niedrigere Fundamentalfrequenz unterhalb näherungsweise 10 KHz, so daß sie geeignet ist, eine oder mehrere HID-Lampen zu versorgen.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das die prinzipiellen funktionalen Komponenten eines Beleuchtungssystems gemäß der Erfindung zeigt,
Fig. 2 zeigt die Verwendung des Beleuchtungssystems, das in Fig. 1 dargestellt ist, für das simultane Betreiben gemischter Lichteinheiten,
Fig. 3a bzw. 3b zeigen einen resonanten LC-Schaltkreis für die Verbindung mit dem Inverter und graphische Darstellungen von verschiedenen Q-Faktoren, die hiermit verknüpft sind, die nützlich sind für die Erklärung des Effektes der Verwendung eines resonanten Schwingkreises,
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, das die prinzipiellen funktionalen Komponenten eines Beleuchtungssystems gemäß der Erfindung zeigt, in der ein sinusförmiger Ausgang erreicht wird unter Verwendung eines resonanten Schwingkreises basierend auf den in den Fig. 3a und 3b gezeigten Prinzipien,
Fig. 5 ist ein elektrisches Schema, das die Konstruktion für den Eingangsspannungssampler bzw. -abtaster in Fig. 4 zeigt,
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm, das die prinzipiellen funktionalen Komponenten eines Beleuchtungssystems gemäß der Erfindung zeigt, in denen ein sinusförmiger Ausgang erreicht wird unter Verwendung eines resonanten Schwingkreises und in dem es einen Schaltkreis für die Blindstromkompensation gibt,
Fig. 7 ist ein Schaltkreisdiagramm, das die Konstruktion für die Blindstromkompensation von Fig. 6 zeigt,
Fig. 8a bis 81 sind graphische Darstellungen von verschiedenen Wellenformen, die mit verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verknüpft sind,
Fig. 9 ist ein Blockdiagramm, das die prinzipiellen funktionalen Komponenten eines HID- Vorschaltgerätes für die Verwendung mit der Erfindung zeigt,
Fig. 10 ist ein elektrisches Schema, das eine mögliche Implementierung des in Fig. 9 gezeigten Eingangsinduktionsvorschaltgerätblockes zeigt,
Fig. 11 ist ein elektrisches Schema, das eine mögliche Implementierung des Eingangsgleichrichterblocks (der in Fig. 9 gezeigt ist) darstellt,
Fig. 12a und 12b zeigen schematisch einen elektrischen Schaltkreis einer möglichen Implementierung des in Fig. 9 gezeigten Inverterblockes,
Fig. 13a und 13b zeigen schematisch einen elektrischen Schaltkreis einer möglichen Implementierung eines Synchro- und Hilfsblockes, der in Fig. 9 gezeigt ist, Fig. 14 ist ein elektrisches Schema, das eine mögliche Implementierung des in Fig. 9 gezeigten Shunt- Widerstandblockes,
Fig. 15 ist ein elektrisches Schema, das eine mögliche Implementierung der Leistung für den Talfüllungsblock (Valley Fill Block) zeigt, der in Fig. 9 gezeigt ist,
Fig. 16 ist ein elektrisches Schema, das eine mögliche Implementierung des strombegrenzenden Talfüllungsblockes zeigt, der in Fig. 9 gezeigt ist,
Fig. 17 ist ein elektrisches Schema, das eine mögliche Implementierung des in Fig. 9 gezeigten Zündblockes,
Fig. 18 zeigt graphisch die Spannungen und Ströme in dem HID-Vorschaltgerät, das in vorherigen Figuren dargestellt ist, und
Fig. 19 zeigt einen Querschnitt eines metallischen Lichtstranges, der insbesondere für die Verwendung mit der Erfindung geeignet ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt ein Beleuchtungssystem, das allgemein mit 10 bezeichnet ist, das eine Leistungsquelle 11 beinhaltet, die mit einer Wechselspannungsquelle (AC) 12, typischerweise 120 V/60 Hz oder 230 V/50 Hz, verbunden ist, wie sie von einer öffentlichen elektrischen Stromversor gung zur Verfügung gestellt wird. Ein Tiefpaßfilter 13 ist mit einem Ausgang der Wechselspannungsquelle verbunden und verhindert, daß Hochfrequenzen, die innerhalb des Systems erzeugt werden, zurück in die Wechselspannungsquelle 12 geleitet werden. Mit einem Ausgang des Tiefpaßfilters 13 ist eine volle Gleichrichterbrücke 14 für die Umwandlung der Wechselspannung in Gleichspannung verbunden, die wiederum zu einem Invertierer 15 geführt wird, der einen Chopperschaltkreis (elektronischer Zerhacker) aufweist, der eine Rechteckwelle mit einem 50%- Tastverhältnis (duty cycle) bei einer Frequenz in der Größenordnung zwischen 15 kHz und 50 kHz erzeugt. Frequenzen in diesem Bereich liegen oberhalb akustischer Frequenzen und niedrig genug, so daß die Fundamentalfrequenz keiner Spannungsänderung ausgesetzt ist. Der Inverter 15 sollte vorzugsweise seine Oszillationen unabhängig von dem Strom erzeugen, so daß er nicht durch Veränderungen in dem Strom aufgrund des Betriebes der HID-Lampen beeinflußt wird. Der Gleichrichter 14 in Verbindung mit dem Inverter 15 bildet somit eine Frequenzumwandlungsvorrichtung 16 für das Umwandeln der Niederfrequenzspannung, die von der Wechselspannungsquelle 12 erzeugt wird, in eine Hochfrequenzspannung. Der Chopperschaltkreis kann implementiert werden unter Verwendung von bekannten Konstruktionen, vorzugsweise unter Verwendung von Feldeffekttransistoren.
Optional kann eine Talfüllungskomponente 9 mit einem Ausgang des Inverters 15 verbunden sein und dazu dienen, Energie während der Zeit unmittelbar vor und nach dem Nulldurchgang der Wechselspannungsquelle zu liefern, um den Lichtbogen in HID-Lampen in dem System zu bewahren. Stattdessen kann die Talfüllung Energie von einer allgemeinen Blindstromkompensationseinrichtung des unten in einem unterschiedlichen Kontext beschriebenen Typs, abziehen, um einen hohen Leistungsfaktor für das System zu erhalten. Diese Talfüllung (valley fill) kann alternativ in der einzelnen Stromzuführung neben der HID-Lampe aufgenommen werden und wird unten in diesem Kontext im Detail beschrieben. Es versteht sich, daß unter Verwendung einer ähnlichen Konstruktion innerhalb der Hauptstromzuführung 10 als Block 9, wie gezeigt, es implementiert werden kann, vorausgesetzt nur, daß die Komponenten dann für eine höhere Leistung ausgelegt sein müssen. In der Praxis ist es wünschenswert, wenn bekannt ist, daß ein großer Anteil der Lampen, die von dem System versorgt werden, HID-Lampen sind oder andere Lampen sind, die Spannungseinbrüchen nicht standhalten können, die Talfüllung nur zentral zu implementieren, da diese Funktion nur für solche Lampen erforderlich ist.
Optional ist ein Hochfrequenztransformator 17 mit einem Ausgang des Valley-Fill 9 gekoppelt und ein Tiefpaßfilter 18 ist mit dem Ausgang des Hochfrequenztransformators 17 verbunden für die Reduzierung der Amplitude von höheren Frequenzen. Der Tiefpaßfilter 18 kann unter Verwendung einer Induktivität in der Größenordnung von 350 uH in Reihe mit dem Ausgang des Hochfrequenztransformators 17 und einer Kapazität in der Größenordnung von 100 pF parallel zu der zweiten Wicklung des Hochfrequenztransformators implementiert werden. Die Induktivität erzielt eine Reduktion in der Größenordnung von 32 dB der Frequenzen oberhalb von 3 MHz und eine kleinere Reduktion von niedrigeren Frequenzen. Die Kapazität reduziert Frequenzen oberhalb von 30 MHz durch einige zusätzliche 12 dB.
Ein Leiterpaar 19 ist mit einem Ausgang des Tiefpaßfilters 18 verbunden und ist mit einer mechanischen Einrichtung verknüpft für das Zulassen der Verbindung von Niederspannungshalogenlampen mit Hochfrequenztransformatoren und/oder Gasentladungslampen mit Hochfrequenzvorschaltgeräten und Zündmechanismen und/oder Netzspannungsglühlampen mit einem Hochfrequenztransformator oder direkt. Die mechanischen Einrichtungen 6 sind nicht ein Merkmal der Erfindung und werden daher nicht im Detail beschrieben. Es sei jedoch bemerkt, daß die Erfindung insbesondere geeignet ist für die Verwendung mit Beleuchtungsschienen, bei denen der Nutzen von kleinen Energieversorgungen neben den Lampen klar sichtbar ist. Die Erfindung ist ebenso geeignet für die Verwendung mit Einbaulichtern und hat den besonderen Vorteil, daß der Hochfrequenztransformator, der neben den Niederspannungshalogenleuchten in dem System verwendet wird, keine elektronischen Komponenten erfordert und daher weniger anfällig gegenüber Beschädigung durch die Wärme der Lampe ist. Das System ist ebenso geeignet für die Außenmontierung, die Unterschrankmontierung, die Wandmontierung und für andere Beleuchtungsformen. Sie ist weiterhin besonders geeignet für die gleichzeitige Versorgung von unterschiedlichen Typen von Leuchtmitteln durch geeignete Erhöhung der Nennleistung der Hauptstromversorgung und dadurch für das Erreichen von Kostenersparnissen durch Größeneffekte.
Der Hochfrequenztransformator 17 ist vorzugsweise ferritbasiert, wobei die Sekundärspule durch einen Litzendraht implementiert wird und dazu dient, die AC-Spannung, die hierdurch erzeugt wird, derart zu transformieren, daß gewährleistet wird, daß die RMS-Größe der Spannung auf den Leitern 19 von einer bequemen Größe ist. Es gibt verschiedene Wahlmöglichkeiten für diese Größe. Eine Möglichkeit ist es, diese Größe unterhalb näherungsweise 30 V zu wählen. Dies hat den Vorteil, daß die Gefahr eines tödlichen Elektroschocks eliminiert wird und die Leiter offengelegt sein können wie in offenen leitfähigen Schienen und Kabelsystemen. Genauer gesagt, wenn die Leiterspannung auf 12 V eingestellt wird, hat dies den weiteren Vorteil, daß Niederspannungshalogenlampen direkt von den Leitern versorgt werden können; und in gleicher Weise, wenn sie auf 24 V eingestellt werden, hat dies den Vorteil, daß Xenon-Lampen direkt von den Leitern versorgt werden können. Niederspannungen haben jedoch den Nachteil, daß sie höhere Ströme erfordern, was erhöhte ohmsche Verluste und erhöhte Strahlungsverluste auf den Leitern und erhöhte Funkstörungen erzeugt.
Gemäß einer zweiten Option kann die Größe der Leiterspannung gleich der Größe der Wechselspannungsquelle 12 gewählt werden, so daß die gewöhnlichen Glühlampen, die für die Verwendung mit der Wechselspannungsquelle (typischerweise 120 V oder 230 V RMS) konstruiert sind, angeschlossen werden können, ohne eine weitere Anpassung an den Ausgang der Leistungszuführung 11 (da Glühlampen eine spezifizierte RMS-Spannung erfordern, jedoch weitestgehend unempfindlich gegenüber der Frequenz sind).
Gemäß einer dritten Option kann die Größe der Leiterspannung gleich einem internationalen Standard gewählt werden, so daß trotz Differenzen in der Wechselspannungsquelle, die von dem Energieversorgungsunternehmen zur Verfügung gestellt wird, die Beleuchtungsleuchtmittel für die Verwendung mit dem System universell sein können. Diese Größe wird vorzugsweise gleich der Größe der Energieversorgungsspannung in einem erforderlichen Marktzielgebiet eingestellt, so daß Netzspannungsglühlampen von diesem Markt direkt mit dem System verwendet werden können. Die relevanten Standards sind daher 100 V, 110-120 V und 220-240 V. Gemäß einer vierten Option kann die Größe höher als sogar 240 V gewählt werden, um die Zeit um den Nulldurchgang der Einhüllenden aufgrund der Variation der Wechselspannungsquelle, in der die Spannung über den Leitern 19 unter näherungsweise 200 V fällt, zu minimieren, um die einfachere Bewahrung des Lichtbogens in jeder HID-Lampe in dem System zur Verfügung zu stellen, vorzugsweise ohne daß das Valley-Fill- System, das unten im Detail beschrieben wird, zu benötigen.
Die Länge der Leiter 19 kann einige Meter bis zu Dutzenden von Metern sein, abhängig von der Leistung und von gegebenen Regulierungsstandards. Die Nennleistung kann nicht nur über 300 W sein, was typischerweise das heutige Limit ist, sondern kann tatsächlich über 1000 W sein.
In der Anwesenheit des Filters 18 wird die Spannung über den Leitern 19 mit einer Frequenz von 30 kHz gefiltert, wodurch die elektromagnetische Störbeeinflussung reduziert wird, und optional bei einer Spannung wesentlich höher als 12 V, so daß verknüpfte Ströme niedriger sind, wodurch die elektromagnetische Störbeeinflussung weiter reduziert wird. Dies ist im Gegensatz zu bekannten Schienensystemen, die entweder Strom mit einer Spannung und Frequenz gleich der Netzspannung tragen, die von der elektrischen Energieversorgung zur Verfügung gestellt wird, oder eine Niederspannung von 12 V tragen oftmals mit einer Rechteckwelle der Frequenz 30 kHz.
Die Leiter 19 können in einer festen oder flexiblen isolierten Leiterbahn aufgenommen sein, an der die Lampenleuchtmittel befestigt werden oder können in Drähten zu eingebauten Leuchtmitteln, Unterschrankleuchtmitteln, wandmontierten oder Außenleuchten aufgenommen sein. Vorzugsweise ist jede verwendete Leiterbahn metallisch, um eine elektromagnetische Abschirmung zur Verfügung zu stellen und ist derart, daß es keinen direkten Pfad oder nur einen sehr kleinen offenen Winkel von den Leitern zu der Außenseite der Leiterbahn gibt. Vorzugsweise ist das Paar der Leiter nahe beieinander angeordnet, so nah wie durch Sicherheitsstandards erlaubt ist, um elektromagnetische Strahlung zu reduzieren, die in der Größe proportional zu der Fläche zwischen den Leitern ist. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Leiter flach, das heißt von rechteckigem Querschnitt, und verlaufen mit ihren Oberflächen parallel zueinander. Ein Querschnitt einer Leiterbahn mit all diesen Merkmalen ist in Fig. 19 gezeigt.
Optional können entlang der Leiter 19 zusätzliche Leiter geführt werden, die direkt an das elektrische Energieversorgungsnetz angeschlossen sind und an die entsprechende Gruppen von konventionellen Leuchtmitteln befestigt werden können. Beispielsweise ist es in Europa üblich, einen Nulleiter und drei 230 V/50 Hz-Leiter zu haben, die mit der elektrischen Energieversorgung verbunden sind und die unabhängig voneinander ein- oder ausgeschaltet werden können, um zu gestatten, daß unterschiedliche Gruppen von Leuchtmitteln illuminiert oder ausgelöscht werden können, unabhängig von den anderen Gruppen von Leuchtmitteln. Dieser Satz von vier Drähten kann entlang der Leiter 19 verlaufen oder der neutrale Leiter kann eine gemeinsame Leitung mit dem konventionellen und Hochfrequenzsystem sein.
Optional kann das einzelne Paar von Leitern 19 durch eine größere Anzahl von Paaren von Leitern, typischerweise drei, mit oder ohne einen gemeinsamen Nulleiter ersetzt werden, um es auch den Hochfrequenzleuchtmitteln zu erlauben, daß sie in unabhängigen Gruppen an- oder ausgeschaltet werden. In solch einer Anordnung kann das Schalten erreicht werden entweder durch das Vorsehen einer getrennten Leistungszuführung für jeden Leiter, wobei jeder ähnlich zu der Stromzuführung 11 ist, oder durch Anschließen der Ausgänge von einer gemeinsamen Leistungsquelle mit allen drei über Relais, die von dem Benutzer gesteuert werden können.
Gemäß der Erfindung kann parallel zu den Leitern 19 ein weiteres Paar von Leitern (mit oder ohne einen gemeinsamen neutralen Leiter) parallel zur Verfügung gestellt werden, das eine Niederspannung für das Heizen der Elektroden in Fluoreszenz- oder kompakten Fluoreszenzlampen in dem System bereitstellen. Dies kann betrieben werden unter Verwendung einer Standardniederleistungs-3V-Leistungsquelle, die mit der Leistungsquelle 11 zusammen untergebracht wird unter Verwendung von bekannten Konstruktionen implementiert. Die Leistung, die von dem Valley-Fill geliefert wird, kann alternativ unter Verwendung eines getrennten Leiters, der parallel zu den Leitern 19 verläuft, zugeführt werden.
Das System 11 ist innerhalb des Gehäuses (nicht gezeigt) ummantelt, wobei auf dem Gehäuse ein Paar von Anschlüssen montiert ist, die mit einem Ausgang des Leistungsquellenschaltkreises 11 verbunden sind für die Befestigung von zumindest einem Beleuchtungsmittel hieran über die Leiter 19. Innerhalb des Gehäuses kann optional ein Thermistor (der eine Temperaturerfassungseinrichtung bildet) für die Messung einer Umgebungstemperatur, und an dem eine Schutzeinrichtung in reagierender Weise gekoppelt ist für das Unterbrechen der Ausgangsspannung im Falle des Überheizens, zur Verfügung gestellt werden. In gleicher Weise kann eine stromerfassende Einrichtung optional mit solch einer Schutzeinrichtung gekoppelt sein für das Unterbrechen der Ausgangsspannung in dem Fall, daß der Ausgang überladen oder kurzgeschlossen wird. Solche Überheiz- oder Überstromschutzeinrichtungen sind per se bekannt und werden daher nicht weiter im Detail beschrieben. Es sei bemerkt, daß jedoch die Implementierung dieser Schutzeinrichtungen in einer zentralen Art und Weise für Beleuchtungssysteme, die gemischt sein können, im Stand der Technik nicht bekannt ist.
Alternativ dazu kann der Überlastschutz auf der Tatsache basieren, daß, folgend auf einen Kurzschluß oder eine Überlast, die Impedanz über den Leitern unter eine minimal erlaubte Grenze fällt. Solch ein Abfall in der Impedanz kann durch einen Vergleicher delektiert werden, dessen erster Eingang mit einem Spannungsteiler über den masse- und spannungsführenden Leitern in dem System verbunden ist, und der sich daher von der Erdspannung um eine Größe unterscheidet, die proportional zu der Spannung an den Leitern ist. Ein zweiter Eingang des Vergleichers ist an einen kleinen Widerstand in Reihe mit dem Erdleiter angeschlossen, so daß eine Spannung erzeugt wird, die sich von der Erdspannung um eine Größe unterscheidet, die proportional zu dem Stromfluß durch den Widerstand ist. Diese Implementierung hat den Vorteil, daß sie instantan eine Überlast delektieren kann, selbst während des Teils des 50/60 Hz-Wechselstromzyklusses, in dem die augenblickliche Spannung nahezu Null ist, so daß der augenblickliche Strom die Grenze noch nicht überschritten hat.
Entweder in dem Strom- oder in dem Impedanzüberlastschutzschaltkreis ist es wünschenswert, den Schutz für eine kurze Zeit folgend auf die Verbindung mit der Wechselspannungsquelle zu deaktivieren, um kalten Glühlampen in dem System Zeit zum Aufwärmen zu geben, so daß sie nicht irrtümlich als Kurzschluß angesehen werden aufgrund ihrer niedrigen Impedanz, solange sie kalt sind.
Optional kann eine entsprechende lichtemittierende Diode mit jeder Schutzeinrichtung verbunden sein, um eine sichtbare Anzeige für ihren Betrieb zur Verfügung zu stellen.
Fig. 2 zeigt ein komplexes Illuminierungssystem, das allgemein als 20 dargestellt wird unter Verwendung der unter Bezug auf Fig. 1 der Zeichnungen beschriebenen Prinzipien. Eine Wechselspannungsquelle 21, die von dem elektrischen Energieversorgungsnetz abgeleitet wird, ist mit einer Leistungsquelle 22 verbunden, die der Leistungsquelle 11 von Fig. 1 entspricht, die eine Spannung zu einem Paar von Leitern 23 ausgibt, die optional wesentlich höher als 12 V ist bei einer Frequenz in der Größenordnung von 30 kHz. Die Leiter 23 können typischerweise Hunderte oder ein paar Tausend Watt Leistung tragen und können Dutzende von Metern lang sein, was sie der relativ hohen Spannung und dem entsprechend niedrigen Strom und der optionalen Unterdrückung von höheren Frequenzen verdanken.
Eine Glühlampe 24, die derart konstruiert ist, daß sie mit einer Spannung arbeitet, die gleich der Ausgangsspannung der Leistungsquelle 22 ist, ist direkt über den Leitern 23 angeschlossen. Eine 12 V-Halogenlampe 25 oder eine andere Niederspannungsglühlampe ist ebenso über den Leitern 23 über einen ersten Hochfrequenztransformator 26 angeschlossen, der aufgrund der Verwendung des hochfrequenten Stromes in den Leitern 23 besonders klein und kostengünstig ist. Eine Niederspannungsschiene 27 ist mit den Leitern 23 über einen zweiten Hochfrequenztransformator 28 mit einem Ausgang von 12 V und mit einer größeren Nennleistung als der Transformator 26 verbunden. Die Niederspannungsschiene 23 weist ein Paar von Heavy-Gauge-Hilfsleitern auf, die einen ausreichenden Nennstrom haben, um zu erlauben, daß einige Niederspannungslampen 29 und 30 hieran befestigt werden. Die Niederspannungsschiene 27 kann aus einem konventionellen Niederspannungspfad gebildet werden.
Eine Gastentladungslampe, wie z. B. eine Kompakt-Leuchstoffröhre 31, ist mit den Leitern 23 oder mit einem getrennten speziell entworfenen Pfad über einen Hochfrequenzzündschaltkreis 32 und einem Hochfrequenzvorschaltgerät 33, wie in dem US-Patent Nr. 3,710,177 beschrieben wird, das hier durch Bezugnahme aufgenommen wird, verbunden. Es wird vorzugsweise im Fall von Kompakt-Leuchtstoffröhren ebenso eine 3 V-Leistungsquelle zur Verfügung gestellt für das Heizen der Elektroden entweder verknüpft mit der Leistungsquelle 34 oder zentral implementiert, wie oben beschrieben wurde.
Die Leistungsquelle 22 kann gleichermaßen durch die alternativen Anordnungen, die unten in der Fig. 4 oder der Fig. 6 der Zeichnungen beschrieben wird, gebildet sein.
In Fig. 3a ist schematisch ein gedämpfter resonanter LCR-Schaltkreis 35 gezeigt, der das in Fig. 1 gezeigte Filter für das Ausfiltern von hohen Frequenzen ersetzen kann und der auf der Einfügung einer Kapazität und einer Induktivität basiert, die zusammen mit der Last, die von den Lampen erzeugt wird, einen gedämpften Resonanzschaltkreis bilden. Der gedämpfte resonante LCR-Schaltkreis 35 weist somit eine Induktivität L und eine Kapazität C auf, die gegenseitig in Reihe mit einem Ausgang der Frequenzumwandlungseinrichtung 16 geschaltet sind, während die Lampen, die kollektiv durch ihre Ersatzimpedanz R bezeichnet werden, über dem Ausgang des Filters 35 verbunden sind. Es versteht sich, daß sich dieses Konzept fundamental von dem bislang vorgeschlagenen Beleuchtungssystem fundamental darin unterscheidet, daß die Last der Lampen nicht einfach durch die Leistungsquelle bedient wird, sondern tatsächlich als Teil des Leistungszuführungssystems behandelt wird.
Die Größen der Induktivität und der Kapazität C werden so gewählt, daß die Resonanzfrequenz des Filters 35, gegeben durch F&sub0; = 1/(2π ), in der Größenordnung von 15 kHz bis 50 kHz ist und vorzugsweise nahezu 20 kHz ist. In einer Anordnung, die im Detail beschrieben wird, wird der Inverter 15, der in Fig. 1 gezeigt ist, derart ausgewählt, daß er bei einer Frequenz F arbeitet, die immer höher als F&sub0; ist, sich jedoch in einer Art und Weise verändert, die unten unter Bezug auf Fig. 3b beschrieben wird.
In solch einer Anordnung wird die Spannung Vin, die von dem Invertierer ausgegeben wird, nicht generell gleich der Spannung Vout über den Lampen sein. Das Verhältnis Vout/Vin ist graphisch in Fig. 3b als eine Funktion des Verhältnisses zwischen F und F&sub0; gezeigt. Somit zeigt Vout/Vin bei der Resonanzfrequenz F&sub0; einen Spitzenwert wie gezeigt, während es bei der Abweichung der Frequenz F von der Resonanzfrequenz F&sub0; in einer Art und Weise abfällt, die von der Resonanzschärfe Q abhängt, die gegeben ist durch (1/R ). Die präzise Berechnung dieses Graphen ist gut bekannt und wird daher nicht weiter beschrieben.
Typischerweise ist der RMS-Wert von Vin konstant, Q verändert sich jedoch, wenn Lampen addiert oder entfernt werden, wodurch sich der Wert der Impedanz R ändert. Die Erfindung erlaubt es, daß der Wert F variiert wird, wann immer die Last R sich verändert, so daß das Verhältnis Vout/Vin und somit der Wert Vout konstant bleibt.
Das konstante Verhältnis Vout/Vin wird gewählt, so daß es eine bequem handhabbare Größe hat, typischerweise in der Größenordnung 1/2, so daß bei niedriger Last (hohes Q) die erforderliche Frequenz F nicht zu nahe an F&sub0; ist, jedoch so, daß auf der anderen Seite bei hoher Last (niedriges Q) F nicht höher als 2F&sub0; ist. In dieser Art und Weise wird die Frequenz F innerhalb eines Bandes variiert, das typischerweise in der Größenordnung von 1,2F&sub0; bis 2F&sub0; ist in Übereinstimmung mit der gegebenen Last, so daß der Wert Vout konstant gehalten wird. Höhere Harmonische, die ebenso durch den Invertierer erzeugt werden, werden effektiv durch die Anordnung eliminiert, so daß der Strom auf den Leitern nahezu eine Sinuswelle approximiert.
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, das die prinzipiellen funktionalen Komponenten eines Beleuchtungssystems 40 gemäß der Erfindung zeigt, in dem ein sinusförmiger Ausgang erreicht wird unter Verwendung eines resonanten Schwingkreises, der auf den Prinzipien beruht, die oben unter Bezug auf die Fig. 3a und 3b der Zeichnungen erläutert wurden. Das System 40 weist somit eine Leistungsquelle auf, die allgemein als 41 bezeichnet ist, die an einer Wechselspannungsquelle 42 angeschlossen ist. Mit einem Ausgang der Leistungsquelle 41 ist ein Leitungspaar 43 verbunden, zwischen dem Lampen angeschlossen sind, um eine Last 44 zu bilden. Die Leistungsquelle 41 weist einen Filter 45, einen Gleichrichter 46 und einen hinauftransformierenden Transformator 47 auf, die äquivalent zu den entsprechenden Elementen in dem in Fig. 1 gezeigten Grundsystem sind und daher keine weitere Beschreibung erfordern. Mit einem Ausgang des Gleichrichters 46 ist ein Inverter 48 mit variabler Frequenz verbunden, dessen Ausgang mit einem resonanten Schwingkreis 49 verbunden ist, der eine Induktivität L und eine Kapazität C aufweist, die beide in Serie mit einem Ausgang des Inverters 48 variabler Frequenz sind. Der Gleichrichter 46 bildet in Kombination mit dem Inverter 48 variabler Frequenz eine Frequenzumwandlungseinrichtung 50 für das Umwandeln der Niederfrequenzspannung, die von der Wechselspannungsquelle 42 erzeugt wurde, in eine Hochfrequenzspannung. Der Inverter 48 variabler Frequenz ist ein Halbbrücken- oder Ganzbrückenchopperschaltkreis, der eine Rechteckwelle mit einem Tastverhältnis von 50% erzeugt und basiert auf Transistoren, die erneut vorzugsweise Feldeffekttransistoren sind und kann angetrieben werden unter Verwendung von verfügbaren integrierten Schaltkreisen, wie z. B. dem IR2110 von International Rectifier. Der Rechteckwelleneingang, der den Takt für den Antrieb gibt, wird von einer VCO-Komponente erzeugt, wie z. B. derjenigen, die von Motorola, Linear und Texas Instruments verfügbar sind.
Die Spannung an dem Ausgang des Tiefpaßfilters 45 wird durch einen Eingangsspannungssampler 51 abgefragt, dessen Ausgang zu einem ersten Eingang eines Vergleichers 52 geführt wird. In gleicher Weise wird die Spannung über den Leitern 43 durch einen Ausgangsspannungssampler 53 abgefragt, dessen Ausgang zu einem zweiten Eingang des Vergleichers 52 geführt wird. Ein Ausgang 54 des Vergleichers 52 wird zu dem Inverter 48 variabler Frequenz geführt, um die gewünschte Veränderung in der Frequenz F zu implementieren, um eine Spannung über 43 mit Veränderungen in der Last 44 zu stabilisieren.
Der optionale herauftransformierende Transformator 47 stellt die Spannung Vout an den Leitern 43 auf den erforderlichen Wert ein. Die Spannung Vout ist nicht nur um das Verhältnis Vout/Vin geringer als die Spannung Vin der Wechselspannungsquelle, sondern ebenso aufgrund der internen Verluste und wegen der Eliminierung all der Leistung, die in Nicht-Fundamentalfrequenzen enthalten ist. Der herauftransformierende Transformator 47 kann verwendet werden, um sicherzustellen, daß die Spannung Vout an den Leitern 43 gleich der Spannung der Wechselspannungsquelle 42 ist oder gleich irgendeinem anderen gewünschten Wert ist. An der Sekundärspule des herauftransformierenden Transformators 47 ist ein Hochfrequenzkondensator 55 angeschlossen, dessen Kapazität in der Größenordnung von 100 pF ist für die Eliminierung von Frequenzen der Größenordnung oberhalb mehrerer MHz, die durch den resonanten Schwingkreis 49 nicht effektiv eliminiert werden, was dem nicht perfekten Verhalten bei hohen Frequenzen des hierin enthaltenen Kondensators C zu verdanken ist.
Der Vergleicher 52 wird vorzugsweise durch einen Operationsverstärker implementiert, dessen Ausgangssignale 54 proportional zu, jedoch viel größer sind als die Differenz zwischen seinen zwei Eingangssignalen. Der Vergleicher 52 kann alternativ unter Verwendung von diskreten Kompo nenten implementiert werden. Der Eingangs- und der Ausgangsspannungssampler 51 und 53 in Kombination mit dem Vergleicher 52 bilden eine Frequenzsteuereinrichtung 56 für die Erzeugung eines Steuersignals an dem Ausgang 54 des Vergleichers 52, der die Frequenz F steuert, so daß die Ausgangsspannung über den Leitern 53 auf dem gewünschten Wert gehalten wird. Das System wird F insbesondere in der Praxis verändern, wann immer es eine Veränderung in der Last 44 und damit in der Resonanzschärfe gibt, so daß die Spannung über den Leitern 43 auf demselben gewünschten RMS-Wert gehalten wird.
Die Art und Weise des Auswählens von L und C wird nun beschrieben. In dem ersten Beispiel wird das Produkt LC so gewählt, daß F&sub0; = 1/2π in der Größenordnung von 20 kHz ist, was eine bequeme untere Grenze für die Arbeitsfrequenz F ist. Zusätzlich müssen L und C derart gewählt werden, daß Q nicht zu gering wird, selbst wenn die Last minimal ist, so daß es niemals notwendig sein sollte, mit einem F von mehr als etwa 30 kHz zu arbeiten. Wenn beispielsweise Vout/Vin derart gewählt ist, daß es in der Größenordnung von 0,5 ist, dann zeigen Standardberechnungen, daß Q nicht unter näherungsweise 1 sein darf.
Es kann somit gezeigt werden, daß, wenn beispielsweise die Last zwei Niederspannungshalogenlampen mit der minimalen Last von 50 W aufweist und wenn Vin 230 V beträgt und Vout 115 V ist, daß dann R als höchsten Wert effektiv 115²/50 = 265 Ohm ist, und wenn Q 1 nicht überschreitet, dann muß in der Größenordnung von 265 Ohm sein. Die Kombination mit den obigen Beschränkungen ergibt geeignete Werte, in diesem Fall von C = 30 nF und L = 2,1 mH.
Eine ergänzende, wenn auch unbequeme, Methode der Begrenzung der notwendigen Variation in F ist es, einen Schwingkreis aus Kapazitäten und/oder Induktivitäten zu haben, die jeweils verschiedene Werte von C bzw. L haben. Entsprechende Transistorschalter sind mit den Kapazitäten und Induktivitäten verbunden und bilden eine Auswahleinrichtung für die Auswahl einer geeigneten Induktivität und/oder einer geeigneten Kapazität, so daß die Frequenz des Resonanzschaltkreises für einen substantiellen Bereich von unterschiedlichen Lampenleuchtmittelbelastungen innerhalb eines Bereiches von näherungsweise 15 kHz bis 50 kHz liegt.
Innerhalb des Frequenzsteuerschaltkreises 56 weist der Ausgangsspannungssampler 53 einen Widerstandsteiler auf, der eine Spannung erzeugt, die proportional zu der Spannung über den Leitern 43 ist, jedoch nicht niedriger als diese ist. Diese Spannung wird zu einer integrierten RMS- zu-DC-Wandler-Komponente geführt, die eine DC-Spannung erzeugt, die proportional zu der RMS- Spannung über den Leitern 43 ist, die wiederum zu dem Vergleicher 52 geführt wird. Der Eingangsspannungssampler 51 führt ein Gleichstrom- (DC-) Signal zu dem Vergleicher 52, das proportional zu der gewünschten Spannung über den Leitern 43 ist. Im einfachsten Fall liefert der Eingangsspannungssampler 51 eine feste Referenzspannung unter Verwendung von Standardkomponenten für diesen Zweck. Dies hat den Vorteil, daß dem System ein Verfahren der Spannungsstabilisierung gegeben wird. Dies wird jedoch den Effekt haben, daß die Spannung über den Leitern 43 fixiert ist, selbst in dem Fall, in dem die Spannung von der AC-Quelle 42 absichtlich durch die Verwendung eines Dimmers verringert wird, was den Effekt des Abschneidens von Teilen der Sinuswel le hat, wodurch die RMS-Spannung erniedrigt wird. Der Effekt von solch einem Dimmer auf der Wechselspannungsquelle ist graphisch in Fig. 81 dargestellt, wobei es sich versteht, daß andere Dimmer den anführenden Teil des Halbzyklus eliminieren anstelle des hinteren Teils wie gezeigt.
In einer raffinierteren Version wird der Eingangsspannungssampler 51 ähnlich dem Ausgangsspannungssampler 53 gebildet, um eine Gleichspannung zu erzeugen, die proportional zu der RMS-Spannung der AC-Spannungsquelle 42 ist. Dies hat den Effekt, daß die RMS-Spannung über den Leitern 43 gleich oder proportional zu der RMS-Spannung über der AC-Spannungsquelle 42 ist und wie erforderlich variiert, wenn ein Dimmer in Verwendung ist. Solch ein System leidet jedoch ebenso unter dem Nachteil, daß unerwünschte Variationen in der AC-Spannungsquelle 42, die einer unzuverlässigen Energieversorgung zu verdanken sind, zu den Lampen weitergeleitet werden.
Fig. 5 zeigt ein elektrisches Schema für die Implementierung des Eingangsspannungssamplers 51 entsprechend eines noch raffinierteren Designs, das eine DC-Spannung proportional zu der RMS-Spannung eine Sinuswelle von fester Amplitude ausgibt, die jedoch an denselben Punkten wie die AC-Spannungsquelle 42 abgeschnitten ist, um den Effekt des Dimmers beizubehalten. Ein Abschnitt der gesampleten Spannung wird zu einem Nulldurchgangsdetektor 62 geführt, der einen logischen Ausgang von -1, 0, 1 erzeugt, abhängig davon, ob die gesamplete Spannung negativ, Null oder positiv ist. Dies wird dann in ein Phasenregelkreissystem 63 (wie z. B. die Komponente, die allgemein mit 4046 bezeichnet wird) eingefügt, das so eingestellt ist, daß es eine Rechteckwelle fester Amplitude erzeugt und das mit der Phase der gesampleten AC-Quelle 42 phasenverriegelt ist. Der Ausgang des Phasenregelkreises wird zu einem Filter 64 geführt, um eine Sinuswelle fester Amplitude in Phase mit der gesampleten Leistung zu erzeugen. Der Ausgang des Filters 64 wird mit dem Ausgang des Nulldurchgangsdetektors 62 mittels eines Multiplizierers 65 multipliziert, um den Effekt eines Dimmers durch Chopping bzw. Zerhacken der sinusförmigen Referenzwelle zu simulieren. Die resultierende Spannung wird dann durch einen RMS-zu-Gleichstrom-Konvertierer 66 geleitet, um dem Vergleicher 52 eine Referenzspannung zur Verfügung zu stellen.
Es versteht sich, daß es mit dem sinusförmigen Ausgang der oben unter Bezug auf Fig. 4 beschriebenen Ausführungsform machbar wird, trotz den größeren involvierten Strömen das System mit einer so geringen Ausgangsspannung wie 12 V zu implementieren.
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm, das die prinzipiellen funktionalen Komponenten eines Beleuchtungssystems 70 ähnlich zu dem System 40, das in Fig. 4 gezeigt ist, zeigt, was jedoch weiterhin einen Blindstromkompensationsschaltkreis 71 beinhaltet. Soweit gleiche Komponenten in beiden Schaltkreisen verwendet werden, werden identische Bezugszeichen eingesetzt. Der Blindstromkompensationsschaltkreis 71 wird somit mit einem Ausgang des Gleichrichters 46 verbunden und eine Kapazität 72 ist mit einem Ausgang hiervon verbunden. Der Blindstromkompensationsschaltkreis 71 und die Kapazität 72 stellen sicher, daß das System Strom in Phase mit der Spannung der AC-Quelle 42 zieht, so daß ein Verlustfaktor von nahezu 1 sichergestellt wird. Er erhält ebenso eine nahezu konstante DC-Spannung über dem Kondensator 72, die zu dem Inverter 73 geliefert wird.
Der Rest des Systems in Fig. 6 ist äquivalent zu dem in Fig. 4, außer daß es keine Notwendigkeit gibt, die Frequenz des Inverters 73 zu variieren, da es stattdessen möglich ist, den Spannungseingang des Inverters 73 unter Verwendung des Blindstromkompensationsschaltkreises 71 zu variieren, wenn es Veränderungen in der Belastung gibt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, blindstromkompensiert zu sein, was insbesondere wichtig ist, wenn Gasentladungslampen in Verwendung sind.
Es sollte erwähnt werden, daß die Verwendung der Blindstromkompensation ebenso als Zusatz zu der Leistungsquelle von Fig. 1 Vorteile hat und nicht nur in Verbindung mit dem Resonanzschaltkreis. Die Vorteile in diesem Fall beinhalten die Erhöhung des Leistungsfaktors der Leistungsquelle auf nahezu 1 und das Entfernen der Notwendigkeit für ein Valley-Fill. In der resonanten Konstruktion hat es weiterhin den Vorteil, daß die Frequenzvariation nicht notwendig ist.
Es sollte ebenso bemerkt werden, daß es eine völlig unterschiedliche Verwendung der Blindstromkompensation entsprechend der Erfindung ist, den zentralen Inverter zu eliminieren und den DC-Ausgang der Blindstromkompensationseinheit direkt oder über einen Transformator mit einem Leiterpaar zu verbinden, um Beleuchtungsleuchtmittel hieran zu befestigen, die ihren eigenen Inverter beinhalten. Dies bildet einen alternativen Weg der Ableitung einiger der Vorteile der Zentralisierung, während wesentliche Funkstörungsprobleme vermieden werden.
Fig. 7 ist ein Schaltkreisdiagramm, das eine Konstruktion für den Blindstromkompensationsschaltkreis von Fig. 6 zeigt. Somit wird die Eingangsspannung Vin wie gezeigt zu einem Induktor 81 geführt, der mit der Anode einer Gleichrichterdiode 82 verbunden ist, deren Kathode mit einem Anschluß eines großen Kondensators 83 verbunden ist, der der Bezugszahl 72 in Fig. 6 entspricht, der eine Kapazität in der Größenordnung von Hunderten von uF hat und dessen anderer Anschluß mit Masse, GND verbunden ist. Die Last 84 stellt den Rest des Systems dar, das über den Kondensator 83 angeschlossen ist. Ein Ende eines Gateanschlusses 85 (bildet eine Schalteinrichtung) ist zwischen der Verbindung des Induktors 81 und der Diode 82 geschaltet, während dessen anderes Ende mit GND verbunden ist. Das Gate 85 wird durch einen leistungsfaktorregulierenden integrierten Schaltkreis 86, wie z. B. 3852, gesteuert und kann geschlossen werden, so daß der Induktor 81 geladen wird, und geöffnet werden, um den Strom durch die Diode 82 zu leiten, wodurch der große Kondensator 83 aufgeladen wird. Dies schließt das Gate 85 mit einer Frequenz in der Größenordnung von 30 kHz und mit einem Tastverhältnis, das sinusförmig in Phase mit der Spannung Vin variiert. Das Tastverhältnis variiert ebenso, um die Ausgangsspannung Vout auf einem konstanten voreingestellten Wert, der durch ein Steuersignal 87 (entsprechend dem Ausgang 54 des Vergleichers 52 in den Fig. 4 und 6) bestimmt wird, das zu dem VFB-Pin der 3852 geführt wird, zu halten. Die Kapazität 83 stellt sicher, daß Vout nahezu konstant über die 30 kHz und 50 Hz Zyklen ist.
Es sei ebenso bemerkt, daß die Spannung Vout immer größer als der Scheitelwert von Vin sein muß. Sorgfalt muß walten gelassen werden, wenn ein Dimmer verwendet wird. Der Scheitelwert von Vin kann unbeeinflußt bleiben, obgleich das System den voreingestellten Wert von Vout reduzieren wird. Daher muß Vout zu Beginn ausreichend groß sein, so daß es größer als der Scheitel wert von Vin sein wird, selbst nachdem es reduziert wird, wenn ein Dimmer eingeführt wird. Die Endspannung, die an die Lampen angelegt wird, kann verglichen mit Vout durch Verwendung eines Halbbrückeninvertierers und/oder durch Verwendung einer Frequenz, die von der Resonanzfrequenz abweicht, reduziert sein. Diese Ausführungsform spart die Notwendigkeit, einen Blindstromkompensationsschaltkreis und/oder ein Valley-Fill für jede Gasentladungslampe in dem System zu haben.
Es versteht sich, daß die Leistungszuführung 53 außer der Illuminierung andere Anwendungen hat, wie eine Leistungszuführung, die blindstromkompensiert ist und die eine reine sinusförmige Ausgangsspannung von stabilisierter und einstellbarer Größe zur Verfügung stellt. Um solch eine Leistungszuführung vielseitiger einsetzbar zu machen, kann die Frequenz des Invertierers auf ein äußeres Steuersignal reagierend ausgelegt werden. Weiterhin kann das Steuersignal 54 extern erzeugt werden, anstatt daß es mit dem Vergleicher 52 verbunden ist.
In den Fig. 8a bis 8g sind graphische Spannungswellenformen gezeigt, die mit den verschiedenen Ausführungsformen verknüpft sind, die oben unter Bezug auf die Fig. 1, 4 und 6 der Zeichnungen beschrieben wurden.
Fig. 8a zeigt graphisch und Fig. 8b zeigt in einer stark vergrößerten Skalierung (in der ein und ein halber 30 kHz-Zyklus gezeigt sind) den ungefilterten Ausgang eines Zerhackerschaltkreises. Er weist eine Rechteckwelle der Größenordnung 30 kHz auf, die durch eine sinusförmige Welle von 50 Hz/60 Hz moduliert ist.
Fig. 8c zeigt graphisch und Fig. 8d zeigt in einer stark vergrößerten Skalierung den Ausgang der Ausführungsform, die oben unter Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde. Die Wellenform weist eine Spannung der Frequenz der Größenordnung 30 kHz auf, die wesentlich glatter als eine Rechteckwelle ist, die mit einer Sinuswelle der Frequenz 50 Hz/60 Hz moduliert ist.
Fig. 8e zeigt graphisch und Fig. 8f zeigt in einer stark vergrößerten Skalierung den Ausgang der Ausführungsform, die oben unter Bezug auf Fig. 4 beschrieben wurde. Die Wellenform weist eine im wesentlichen sinusförmige Spannung einer Frequenz auf in der Größenordnung von 20 kHz bis 50 kHz abhängig von der Belastung, moduliert durch eine Sinuswelle der Frequenz 50 Hz/60 Hz.
Fig. 8g zeigt graphisch und Fig. 8h zeigt in einer stark vergrößerten Skalierung den Ausgangswert der Ausführungsform, die oben unter Bezug auf Fig. 6 beschrieben wurde. Die Wellenform weist eine im wesentlichen sinusförmige unmodulierte Spannung der Frequenz der Größenordnung 30 kHz auf. Das Fehlen der Modulation hat den zusätzlichen Vorteil, daß die Scheitelwertspannung nur 2-mal größer als die RMS-Spannung ist im Gegensatz zu dem Zweifachen, wenn diese Sinuswelle durch eine weitere Sinuswelle moduliert ist, wie in den Fig. 8a, 8c und 8e.
Nachdem die Hauptstromzuführung der Erfindung in einiger Ausführlichkeit beschrieben wurde, wird nun die Implementierung der Stromzuführungseinheit 34 von Fig. 1 im Detail für den Fall beschrieben, daß die Lampe 31 eine HID-Lampe ist. Die Funktion der Stromzuführungseinheit 34 ist es, den (möglicherweise modulierten) 20 kHz bis 30 kHz Strom von den Leitern 23 zu akzeptieren und der Lampe einen stabilisierten Strom zur Verfügung zu stellen, der von wesentlich niedrige rer Frequenz ist und der vorzugsweise für eine kürzere Zeit als die Stromversorgungsleistung in jedem 50 Hz- oder 60 Hz-Zyklus auf eine Spannung von unter 100 V abfällt, wodurch das Auslöschen des Lichtbogens vermieden wird.
Fig. 9 zeigt funktional ein Detail solch einer Stromzuführungseinheit 106 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Eine Quellspannung mit einer Frequenz von 30 kHz (die bei 50 Hz moduliert sein kann) mit der RMS-Spannung von 230 V wird angenommen, obgleich sie durch Verwendung eines geeigneten Transformators auf andere RMS-Spannungen angepaßt sein kann.
Ein Eingangsinduktorvorschaltgerät 120 hat die Funktion eines Vorschaltgerätes, das heißt der Stabilisierung des Stromes, und ist physisch klein wegen der hohen Frequenz des Stromes, typischerweise gleich 30 kHz. Ein herauftransformierender Transformator (nicht gezeigt) kann optional vor dem Eingangsinduktorvorschaltgerät 120 eingefügt werden, insbesondere in Fällen, bei denen der RMS-Wert der Eingangsspannung geringer als 230 V ist. Solch ein herauftransformierender Transformator hat ebenso den Effekt der Reduktion der Zeitperiode, während der die Spannung, die der Lampe zur Verfügung steht, unter 100 V fällt. Durch solch eine Einrichtung kann eine Spannungslücke verhindert werden, die, wenn sie nicht verhindert wird, veranlassen würde, daß der Lichtbogen erlischt. Die Eliminierung der Spannungslücke kann ebenso erreicht werden durch ein Valley-Fill-System, wie unten beschrieben wird, das allein oder in Kombination mit dem herauftransformierenden Transformator verwendet werden kann. Es ist klar, daß die Notwendigkeit für einen herauftransformierenden Transformator ebenso damit verbunden ist, ob der herauftransformierende Transformator 17 von Fig. 1 in der Hauptstromzuführung beinhaltet ist.
Ein Eingangsgleichrichter 121 ist mit einem Ausgang des Eingangsinduktorvorschaltgeräts 120 verbunden für die Gleichrichtung des Stroms, so daß die Hochfrequenz nicht an die Lampe angelegt wird. Ein Inverter 122, der mit einem Ausgang des Eingangsgleichrichters 121 verbunden ist, schaltet den Strom 100-mal pro Sekunde, um einen mit 50 Hz alternierenden Strom zu rekonstruieren, der geeigneter ist als der direkte Strom für das Versorgen der meisten HID-Lampen. Der Eingangsgleichrichter 121 in Kombination mit dem Inverter 122 fungiert somit als eine Frequenzumwandlungseinrichtung für die Reduktion des Hochfrequenzstromes auf die Hauptfrequenz. In diesem Beispiel wird die Schaltung synchron mit dem 50 Hz des Eingangsstroms durchgeführt, um einen hohen Verlustfaktor beizubehalten. Wenn die zu versorgende HID-Lampe mit Direktstrom verwendet werden kann, dann kann der Inverter 122 völlig ausgelassen werden, wobei die vorliegende Erfindung daher für solche Lampen sehr geeignet ist. Zum Beispiel ist der Inverter 122 ebenso verantwortlich für das Erzeugen einer 5 V-Quelle für die Verwendung innerhalb der Leistungszuführungseinheit 106.
Einer Synchronisations- und Hilfseinheit 123 wird ein Stromsignal von dem Eingangsinduktorvorschaltgerät 120 zugeführt für das Erzeugen eines Antriebssignals für das Antreiben des Inverters 122 synchron mit den 50 Hz des Eingangsstromes. In diesem Beispiel erzeugt es ebenso eine 12 V-Quelle für die Verwendung innerhalb der Stromzuführungseinheit 106. Ein Shunt-Widerstand 124, der durch einen kleinen Widerstand gebildet wird, ist in Reihe mit einem Ausgang von dem Eingangsgleichrichter geschaltet für die Überwachung des Stromflusses in dem System.
Eine Leistungszuführung für das Valley-Fill 125 zieht die Restenergie von dem Eingangsindukturvorschaltgerät 120 zu Zeiten in dem 50 Hz-Zyklus des Eingangsstromes ab, an denen die Amplitude nicht nahe Null ist und speichert die Restenergie in einem Kondensator. Ein Stromlimit für das Valley-Fill-System 126 empfängt ein Synchronisierungssignal von der Synchronisations- und Hilfseinheit 123 und ist an dem Kondensator in der Leistungszuführung für das Valley-Fill 125 angeschlossen für die lineare Entladung des Kondensators zurück zu dem System, wann immer die Amplitude nahe Null ist. In diesem Beispiel deaktiviert dasselbe System ebenso die Synchronisierung für die ersten paar Sekunden des Systembetriebs, um die Zündung zu erleichtern durch Ermöglichen, daß das Schalten während anderer Zeitpunkte außer den Momenten der Nullspannung auftritt. Ein Zünder 127 ist reagierend mit dem Invertierer 122 gekoppelt für das Erzeugen von Hochspannungspulsen für die Lampenzündung.
Die Fig. 10-17 sind Blockdiagramme, die funktional bestimmte Implementationen von jeder der funktionalen Komponenten, die oben unter Bezug auf Fig. 9 beschrieben wurden, zeigen.
Somit ist, wie in Fig. 10 gezeigt ist, das Eingangsinduktorvorschaltgerät 120 durch eine 0,95 mH-Induktivität 130 realisiert, die für die Funktion der Stabilisierung des 20 kHz- bis 30 kHz- Stroms zuständig ist. Diese selbe Induktivität 130 hat eine sehr niedrige Impedanz bei 50 Hz oder 60 Hz und zeigt somit keine Wechselwirkung mit dem Leistungsfaktor. Energie wird von der Induktivität 130 abgegriffen und über Anschlüsse L3 und L4 zu dem Valley-Fill-System 126 geliefert, das in größerem Detail unten unter besonderem Bezug auf die Fig. 15 und 16 der Zeichnungen beschrieben wird. Die Anschlüsse L5 und L6 der Induktivität 130 erlauben es, daß Energie abgezogen wird, und stellen ebenso Informationen auf der Phase des 50 Hz-Zyklusses zur Verfügung für das Betreiben der integrierten Schaltkreise in dem System und für die Synchronisierung des Inverters 122.
Fig. 11 zeigt, daß der Eingangsgleichrichter 121 durch einen Vollbrückengleichrichter realisiert wird, der Gleichrichterdioden D1-D4 und einen Kondensator C2 aufweist, der Stromspannungen entfernt.
Fig. 12 zeigt den Inverter 122, der auf einer Vollbrücke aus FETs Q1 bis Q4 basiert. Ein Paar Standardantriebschips U2 und U3 wird verwendet, um die FETs anzutreiben. Der Treiberchip U1 erzeugt die Taktung des Schaltsignals, das durch R5 und C10 auf 30 Hz eingestellt wird, wie es während der Zündung verwendet wird. Nach der Zündung schaltet der Chip U1 die Brücke 100-mal pro Sekunde in Phase mit dem Nulldurchgang des Eingangsstromes, wobei die Synchronisation über ein Signal SYS_IN erfolgt. Dieselbe Komponente U1 erzeugt ebenso eine 5 V- Referenzspannung, die innerhalb des Systems verwendet wird. Andere Komponenten dienen als Standardfunktionen der Konditionierung und Steuerung der Spannungen in dem System oder dienen als Schutzkomponenten und werden daher nicht in weiterem Detail beschrieben. Viele alternative Inverterschaltkreise sind in der Literatur bekannt.
Fig. 13 zeigt die Synchronisierungs- und Hilfseinheit 123, die das Signal SYS_IN für die Taktung des Inverters 122 erzeugt und ebenso eine 12 V-Quelle für das Antreiben der integrierten Schaltkreiskomponenten in dem System erzeugt. Energie wird durch einen Transformator 135 abgezogen, was die Spannung auf 12 V reduziert. Eine erste Diodenbrücke, die allgemein als 136 gezeigt ist und Gleichrichterdioden D9-D12 aufweist, erzeugt einen 12 V-Gleichstromausgang. Eine zweite Diodenbrücke, die allgemein als 137 gezeigt ist und Gleichrichterdioden D13-D16 aufweist, erzeugt für die Synchronisation einen gleichgerichteten 50 Hz-Strom. Ein Vergleicher 138 vergleicht eine kleine positive Referenz, die an einem nicht invertierenden Eingang 139 hiervon angelegt ist, mit den gleichgerichteten 50 Hz, die an seinem invertierenden Eingang 140 angelegt sind, und erzeugt einen 2 ms-Puls auf SYS_IN mit einer Frequenz von 100 Hz, wann immer die Amplitude des 50 Hz-Signals unter die Referenzspannung abfällt, das heißt nahe 0 V ist. Ein Differenzschaltkreis, der einen Kondensator 141, einen Widerstand 142 und eine Zenerdiode 129 aufweist, wandelt das Signal an dem Ausgang des Vergleichers 138 in einen 4,5 V-50 ms-Puls um, der an SYS_IN angelegt wird. Andere Komponenten dienen als Standardfunktionen der Konditionierung und Steuerung der Spannungen in dem System oder als Schutzkomponenten und werden somit nicht in weiterem Detail beschrieben.
Fig. 14 zeigt den Shunt-Widerstand 124, der durch vier Widerstände 145 realisiert wird, die parallel angeschlossen sind, so daß die wesentliche Leistung abgesenkt wird und was eine Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen B und D hervorruft, die proportional zu dem Strom in dem System ist.
Fig. 15 zeigt einen Energiespeicherkondensator 146, der die Energie für die Valley-Fill- Einheit 125 speichert und an dessen einem Ausgang ein FET 147 angeschlossen ist, das, wenn es eingeschaltet ist, erlaubt, daß der Kondensator 146 mit der Energie, die über die Diodenbrücke 148 von L3 und L4 abgezogen wird, geladen wird. Ein Vergleicher 149 und verknüpfte Komponenten dienen dazu, sicherzustellen, daß der Kondensator 146 auf eine Spannung von 15 V oberhalb der Spannung auf der Lampe geladen wird, das heißt die Spannung an den Anschlüssen A und B. Andere Komponenten dienen als Standardfunktionen der Konditionierung und Steuerung der Spannungen in dem System oder als Schutzkomponenten und werden daher nicht in weiterem Detail beschrieben.
Fig. 16 zeigt im Detail die Strombegrenzungs-Valley-Fill-Einheit 126. Ein MOSFET 150 arbeitet linear, um die Freigabe der Leistung von dem Kondensator 146 (gezeigt in Fig. 15) an die Anschlüsse A und B zu steuern. Ein OP-AMP-Spannungsvergleicher 151 und verknüpfte Komponenten messen die Differenz zwischen dem Strom in dem System (proportional zu der Spannungsdifferenz zwischen B und G), die an den nicht invertierenden Eingang 152 des Vergleichers 151 angelegt wird. Verbunden mit dem invertierenden Eingang 153 des Vergleichers 151 ist eine Bezugsspannung und ein Ausgang des Vergleichers 151 wird über einen bipolaren Flächentransistor 154 zu dem Gateanschluß des MOSFET 150 geführt, der dafür ausgelegt ist, zu leiten, wenn der Strom in dem System unter näherungsweise 0,5 A fällt.
Ein Vergleicher 155 dient dazu, SYS_IN und G für die ersten 15 Sekunden des Betriebs des Schaltkreises kurzzuschließen, um die Synchronisierung des Invertierers 122 mit der Energieversorgungsleistung während dieser Zeit zu verhindern. Dies gewährleistet, daß der Invertierer 122 seine Schaltoperationen nicht zu Zeiten durchführt, wenn die Spannung der Eingangsstromquelle eine Null-Amplitude hat, wodurch somit der Spannungssprung gegeben wird, der für den Zünder 127 notwendig ist, wie unten unter Bezug auf Fig. 10 detaillierter beschrieben wird. Ein Kondensator 156 ist angeschlossen zwischen der 5 V-Zuführungsschiene und dem nicht invertierenden Eingang des Vergleichers 155 und lädt vollständig nach 15 Sekunden, woraufhin der Ausgang des Vergleichers 155 auf den niedrigen Pegel geht, wodurch der Kurzschluß entfernt wird. Andere Komponenten stellen Standardfunktionen der Konditionierung und Steuerung der Spannungen in dem System oder Schutzkomponenten zur Verfügung. Ein alternativer Ansatz ist es, die Synchronisierung nicht für eine feste Zeit zu unterdrücken, sondern bis die Lampenzündung erfaßt wird. Diese Erfassung kann bewirkt werden durch Messen der Spannung über der Lampe, die typischerweise kurz nach der Zündung so niedrig wie 10 V ist.
Fig. 17 zeigt ein Detail des Zünders 127, der, wenn es einen Spannungssprung gibt, der ihm von dem Invertierer 122 zwischen seinen Ausgangsanschlüssen L7 und L8 zur Verfügung gestellt wird, einen 1,7 us-Puls von näherungsweise 4 kV erzeugt, um die Lampe zu zünden.
In den Fig. 18a bis 18c sind schematisch die Spannung an den Eingangsanschlüssen, die Spannung an den Ausgangsanschlüssen bzw. der Strom in der Leistungszuführungseinheit 1 während des gleichmäßigen Betriebs gezeigt.
Die Eingangsspannung, die in Fig. 18a gezeigt ist, kann durch eine zentrale Leistungsquelle erzeugt werden gemäß der Erfindung, wie in Fig. 1 und Fig. 4 gezeigt ist (mit dem Detail der entsprechend variierenden 30 kHz-Welle). Es sei bemerkt, daß, wenn die zentrale Leistungsquelle in Fig. 6 verwendet wird, es keine Modulation gibt und die Notwendigkeit eines Valley-Fill-Systems eliminiert wird. Die Ausgangsspannung, die in Fig. 18b gezeigt ist, ist rechteckig, was dem Verhalten der HID-Lampe zu verdanken ist, die wie eine Zenerdiode fungiert. Eine Frequenz ist 50 Hz und der Nulldurchgang ist mit dem Nulldurchgang des Eingangsstromes synchronisiert. Wie in Fig. 18c gezeigt ist, ist der Strom nahe den Spannungsscheitelwerten quasi sinusförmig, obgleich er von der festen Spannung über der HID-Lampe beeinflußt wird und ebenso durch das Abziehen des Stroms für die Valley-Fill-Einheit beeinflußt ist. Nahe des Nulldurchgangs wird der Strom bei konstanten 0,5 A beibehalten unter Verwendung von Ladung, die von dem Valley-Fill-System gespeichert wurde (wodurch der Lichtbogen in der Lampe bewahrt wird). Der Strom ist ausreichend nahe an einer Sinuswelle, um dem System einen akzeptablen hohen Leistungsfaktor zu geben.
Fig. 19 zeigt in einem Querschnitt eine abgeschirmte Bahn, die allgemein als 200 bezeichnet ist, die eine äußere metallische Abschirmung 201 aufweist, die ein Paar von Leitern 202 ummantelt. Wie in der Figur zu sehen ist, sind die zwei Leiter 202 nahezu völlig von der metallischen Abschirmung 201 umgeben und sind voneinander um eine minimale Distanz beabstandet angeordnet, die von den Sicherheitsstandards erlaubt wird. Um die Strahlung der Bahn zu reduzieren, haben die beiden Leiter 202 abgeflachte, nahezu rechteckige Querschnitte, die im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
Es versteht sich, daß solch eine Schienenkonstruktion Anwendungen für andere Systeme als die Erfindung hat, wie z. B. Niederspannungsbeleuchtungsschienen mit elektronischen Transformatoren.

Claims

1. Beleuchtungssystem, das aufweist:

einen Stromversorgungsschaltkreis mit einem Eingangsanschluß für das Verbinden mit einer Spannungsquelle einer niedrigen Fundamentalfrequenz für das Zurverfügungstellen einer Ausgangsspannung, die mit einer Fundamentalfrequenz zwischen näherungsweise 15 kHz und 50 kHz alterniert und

ein Leiterpaar, das mit einem Ausgangsanschluß des Stromversorgungsschaltkreises verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin zur Verfügung gestellt wird:

ein zweiter Stromversorgungsschaltkreis für die Verwendung mit einer Gasentladungslampe (HID) mit hoher Intensität, die mit dem Leiterpaar verbunden ist, wobei die zweite Stromversorgungseinheit aufweist:

ein Paar Eingangsanschlüsse (IN1, IN2) für die Verbindung mit den Leitern,

ein Vorschaltgerät (120), das mit den Eingangsanschlüssen verbunden ist für das Stabilisieren der Größe des Stroms und

ein Paar von Ausgangsanschlüssen (OUT1, OUT2), die mit dem Vorschaltgerät verbunden sind, zum Anschließen einer HID-Lampe,

wobei die zweite Stromversorgungseinheit weiterhin eine Frequenzumwandlungseinrichtung (121 mit 122) aufweist für das Umwandeln der hohen Fundamentalfrequenz in eine niedrige Fundamentalfrequenz unterhalb näherungsweise 10 kHz an den Ausgangsanschlüssen, so daß sie geeignet ist, eine oder mehrere HID-Lampen zu versorgen.

2. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, in dem der Lampenstrom dieselbe Fundamentalfrequenz wie die Wechselstromquelle hat und mit dieser synchronisiert ist.

3. Beleuchtungssystem nach Anspruch 2, bei der die Synchronisierung für eine kurze Zeit, die auf die Verbindung mit der Wechselstromquelle folgt, deaktiviert wird.

4. Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in der die Frequenzumwandlungseinrichtung die Fundamentalfrequenz auf weniger als 1 kHz reduziert.

5. Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in der die Frequenzumwandlungseinrichtung einen Gleichrichter beinhaltet.

6. Beleuchtungssystem nach Anspruch 5, bei dem der Gleichrichter (121) mit den Ausgangsanschlüssen verbunden ist für das Anschließen mit einer Gleichstrom-HID-Lampe.

7. Beleuchtungssystem nach Anspruch 5, das weiterhin einen Hilfsfrequenzwandler (122) beinhaltet, der mit dem Gleichrichter verbunden ist für das Erhöhen einer Fundamentalfrequenz auf eine Frequenz höher als 0 und weniger als näherungsweise 10 kHz.

8. Beleuchtungssystem nach Anspruch 6, in dem der Hilfsfrequenzwandler mit einer Induktivität verbunden ist für das Zurverfügungstellen einer Zündspannung.

9. Beleuchtungssystem nach Anspruch 7 oder 8, in dem der Hilfsfrequenzwandler ein Vollbrückeninvertierer ist.

10. Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, in dem das Vorschaltgerät durch einen Induktor mit einer Induktivität in der Größenordnung von 1 mH gebildet wird.

11. Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, in dem der Stromversorgungsschaltkreis dafür ausgelegt ist, mit mehreren Lampen verbunden zu werden.

12. Beleuchtungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, in dem der RMS-Wert bzw. der quadratische Mittelwert der Ausgangsspannung im wesentlichen gleich der RMS-Spannung bzw. dem effektiven Mittelwert der Spannung der Spannungsquelle ist.

13. Beleuchtungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, in dem der RMS-Wert der Ausgangsspannung geringer als 30 V ist.

14. Beleuchtungssystem nach Anspruch 13, das weiterhin eine Gasentladungslampe beinhaltet, die mit dem Leiterpaar verbunden ist.

15. Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der RMS-Wert der Ausgangsspannung näherungsweise gleich 100 V ist.

16. Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, in dem der RMS-Wert der Ausgangsspannung näherungsweise in dem Bereich von 220 V bis 240 V ist.

17. Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, in dem der RMS-Wert an der Ausgangsspannung wesentlich größer als 230 V ist.

18. Beleuchtungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, in dem der Stromversorgungsschaltkreis (11, 22, 41) mit einer Temperaturerfassungseinrichtung verknüpft ist für das Messen einer Umgebungstemperatur und wobei die Stromversorgung mit der temperaturerfassenden Einrichtung verbunden ist und auf diese in der Art reagiert, daß die Ausgangsspannung reduziert oder unterbrochen wird, wenn die Temperatur einen voreingestellten Wert überschreitet.

19. Beleuchtungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Stromversorgungsschaltkreis mit einer stromerfassenden Einrichtung verknüpft ist für das Messen eines Stromflusses durch die Stromversorgung und wobei die Stromversorgung mit der stromerfassenden Einrichtung verbunden ist und auf diese derart reagiert, daß die Ausgangsspannung reduziert oder unterbrochen wird, wenn der Strom einen voreingestellten Wert überschreitet.

20. Beleuchtungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, in dem der Stromversorgungsschaltkreis mit einer impedanzerfassenden Einrichtung verknüpft ist für das Messen einer Impedanz zwischen den Anschlüssen und wobei die Stromversorgung mit der impedanzerfassenden Einrichtung verbunden ist und auf diese derart reagiert, daß die Ausgangsspannung reduziert oder unterbrochen wird, wenn die Impedanz unter einen voreingestellten Wert fällt.

21. Beleuchtungssystem nach Anspruch 19, in dem die stromerfassende Einrichtung für eine kurze Zeit, die auf die Verbindung des Stromversorgungsschaltkreises mit der Spannungsquelle folgt, deaktiviert wird.

22. Beleuchtungssystem nach Anspruch 20, wobei die impedanzerfassende Einrichtung für eine kurze Zeit, die auf die Verbindung des Energieversorgungsschaltkreises mit der Spannungsquelle folgt, deaktiviert wird.

23. Beleuchtungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, das weiterhin einen isolierten Pfad aufweist für das Aufnehmen des Leiterpaares (19, 23, 43, 48) und das Bereitstellen einer mechanischen Unterstützung für die Beleuchtungskörper.

24. Beleuchtungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, in dem das Leiterpaar durch ein offenes leitfähiges Kabel oder eine Schiene gebildet wird.

25. Beleuchtungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, das zumindest einen Beleuchtungskörper aufweist, der für die Verwendung im Freien vorgesehen ist.

26. Beleuchtungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, in dem die Stromversorgung dupliziert ist, um zumindest zwei solcher Stromversorgungen mit zwei Beispielen der Leiterpaare zu verbinden, um parallel zueinander zu verlaufen.

27. Beleuchtungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, das zumindest zwei Beispiele von Leiterpaaren aufweist, die unter Verwendung von Relaisschaltern mit der Stromversorgung verbunden oder von dieser getrennt werden.

28. Beleuchtungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, das zumindest einen Beleuchtungskörper aufweist, der einen Hochfrequenzabwärtstransformatorschaltkreis (26) und eine Niederspannungslampe (25) aufweist.

29. Beleuchtungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, das zumindest einen Beleuchtungskörper aufweist, der beinhaltet:

ein Hochfrequenzvorschaltgerät,

eine Zündeinrichtung und

eine Gasentladungslampe.

30. Beleuchtungssystem nach Anspruch 29, in dem die Hochfrequenzvorschaltgeräteinrichtung und die Zündeinrichtung durch einen resonanten Schaltkreis gebildet werden.

31. Beleuchtungssystem nach Anspruch 30, in dem die Hochfrequenzvorschaltgeräteinrichtung und die Zündeinrichtung von einem Schaltkreis gebildet werden, der aufweist:

ein Paar Eingangsanschlüsse für die Verbindung mit den Leitern (IN1, IN2),

ein Vorschaltgerät, das mit den Eingangsanschlüssen verbunden ist für die Stabilisierung der Größe des Stroms (121) und

einem Paar von Ausgangsanschlüssen, die mit dem Vorschaltgerät verbunden sind, für das Anschließen einer HID-Lampe (OUT1, OUT2),

wobei die zweite Stromversorgungseinheit weiterhin aufweist eine Frequenzwandlereinrichtung (121 mit 122) für das Reduzieren der Fundamentalfrequenz auf weniger als näherungsweise 10 kHz.

32. Beleuchtungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, das weiterhin aufweist zumindest einen Transformator (28) mit einer Primärwicklung, die mit den Leitern verbunden ist, und mit einer Sekundärwicklung für das Erzeugen einer Spannung mit der Größe zwischen näherungsweise 12 und 24 V zwischen einem Hilfspaar von Leitern für das Anschließen von zumindest einer Niederspannungslampe (25, 29, 30).

33. Beleuchtungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, das zumindest zwei Beleuchtungskörper beinhaltet, die aus den folgenden Typen ausgewählt sind:

ein Beleuchtungskörper, der eine Hochfrequenzvorschaltgeräteinrichtung (33) und eine Hochfrequenzzündeinrichtung (32) und eine Leuchtstofflampe oder kompakte Leuchtstofflampe (31) beinhaltet,

ein Beleuchtungskörper, der eine Hochfrequenzvorschaltgeräteinrichtung (33) und eine Hochfrequenzzündeinrichtung (32) und eine Entladungslampe mit hoher Intensität (31) beinhaltet,

ein Beleuchtungskörper, der einen Hochfrequenzabwärtstransformator (28) und eine Niederspannungslampe (25) enthält,

ein Beleuchtungskörper, der eine Netzspannungsglühlampe (24) beinhaltet und

ein Beleuchtungskörper, der ein Paar von Hilfsleitern (27) mit einer RMS-Spannung zwischen diesen von näherungsweise 12 V bis 24 V beinhaltet, die über einen Hochfrequenztransformator (28) mit dem Leiterpaar gekoppelt sind, für das Anschließen von zumindest zwei Niederspannungslampen hieran.

34. Beleuchtungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, in dem:

eine Kapazität und eine Induktivität (47) mit den Leitern verbunden ist und zusammen mit der Impedanz (44), die an dem Leiterpaar angefügt ist, einen gedämpften Resonanzschaltkreis mit einer Resonanzfrequenz bildet, und

die Fundamentalfrequenz der Ausgangsspannung in der gleichen Größenordnung ist wie die Resonanzfrequenz.

35. Beleuchtungssystem nach Anspruch 34, das eine Frequenzsteuereinrichtung (48, 56) für das Variieren der Frequenz der Stromversorgung folgend auf eine Veränderung in der Impedanz aufweist, so daß die RMS-Spannung über den Leitern bei einem voreingestellten Wert beibehalten wird.

36. Beleuchtungssystem nach Anspruch 35, das eine Kondensatorbank und/oder eine Spulenbank aufweist, die jeweils verschiedene Werte von C bzw. L haben und

eine Auswahleinrichtung, die mit der Kondensator- und/oder der Spulenbank verbunden ist für das Auswählen einer geeigneten Kapazität und/oder Induktivität, so daß eine Frequenz des resonanten Schaltkreises innerhalb eines Bereiches von näherungsweise 15 kHz bis 50 kHz ist für einen beträchtlichen Bereich von unterschiedlichen Beleuchtungskörperbelastungen.

37. Beleuchtungssystem nach Anspruch 35 oder 36, in dem der voreingestellte Wert der RMS- Spannung über den Leitern eine Funktion der RMS-Spannung der Spannungsquelle ist.

38. Beleuchtungssystem nach Anspruch 37, in dem der voreingestellte Wert der RMS-Spannung über den Leitern gleich einer Funktion der RMS-Spannung einer Sinuswelle von fester Referenzamplitude ist, die in Übereinstimmung mit dem Muster der Spannungsquelle zerhackt wurde.

39. Beleuchtungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, in dem die Stromversorgung weiterhin einen Leistungsfaktorkorrekturschaltkreis (71) aufweist für das Einstellen eines Leistungsfaktors hiervon auf nahe 1.

40. Beleuchtungssystem nach Anspruch 39, in dem der Leistungsfaktorkorrekturschaltkreis beinhaltet:

einen Induktor (81), der über eine Schalteinrichtung mit der Spannungsquelle verbunden ist, so daß er hiervon Energie speichert,

einem Leistungsfaktorregulator (86), der mit der Spannungsquelle verbunden ist und auf diese reagiert für das Betreiben einer Schalteinrichtung (85) in einem Hochfrequenzarbeitszyklus, der sich in Phase mit der Spannungsquelle sinusförmig ändert, und

einen Kondensator (83), der mit einem Ausgangswert des Induktors über eine Gleichrichterdiode (82) derart verbunden ist, daß er die Ladung hiervon empfängt, wenn die Schalteinrichtung offen ist.

41. Beleuchtungssystem nach Anspruch 40, in dem die Spannung über den Leitern bei einem voreingestellten RMS-Wert beibehalten wird durch Veränderung des Arbeitszyklusses.

42. Beleuchtungssystem nach Anspruch 41, in dem der voreingestellte Wert der RMS-Spannung zwischen den Leitern entsprechend der RMS-Spannung der Spannungsquelle bestimmt wird.

43. Beleuchtungssystem nach Anspruch 41, in dem der voreingestellte Wert der RMS-Spannung zwischen den Leitern so eingestellt wird, daß er gleich einer Funktion der RMS-Spannung einer Sinuswelle von fester Referenzamplitude ist, die in Übereinstimmung mit den Mustern der Wechselspannungsquelle zerhackt ist.

44. Beleuchtungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, das weiterhin eine lichtbogenkonservierende Einrichtung (125, 126, 17) aufweist für das Erhöhen einer Spannung, um einen Lichtbogen in einer Gasentladungslampe zu konservieren während momentaner Reduktionen in der Größe der Spannung der Spannungsquelle.

45. Beleuchtungssystem nach Anspruch 44, in dem die lichtbogenbewahrende Einrichtung mit dem Stromversorgungsschaltkreis (11, 41) verbunden ist.

46. Beleuchtungssystem nach Anspruch 44 oder 45, bei dem die lichtbogenbewahrende Vorrichtung einen Aufwärtstransformator beinhaltet.

47. Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 44 bis 46, in dem das lichtbogenbewahrende Gerät beinhaltet:

einen Kondensator und

eine Einrichtung für das Laden des Kondensators zu Zeiten, wenn eine Spannung der Quelle des Stroms eine Amplitude wesentlich größer als 0 hat und

eine Schalteinrichtung für das Entladen des Kondensators zu Zeiten, wenn eine Spannungsamplitude der Stromquelle nahe 0 ist.

48. Beleuchtungssystem nach Anspruch 47, in dem die Schalteinrichtung auf die Größe eines Stromes durch die Ausgangsanschlüsse reagiert.

49. Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 44 bis 48, in dem die lichtbogenbewahrende Einrichtung Energie über einen Leiter zuführt, der parallel zu dem Leiterpaar verläuft.

50. Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 44 bis 49, in der die lichtbogenbewahrende Einrichtung Energie von einem Leistungsfaktorkorrekturschaltkreis bezieht, so daß der Leistungsfaktorkorrekturschaltkreis eine kleinere Nennleistung als der Stromversorgungsschaltkreis hat.

51. Beleuchtungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, in dem die Länge der Leiter (19, 23, 43, 48) 3 m übersteigt.

52. Beleuchtungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, in dem der Stromversorgungsschaltkreis (11, 22, 41) dafür ausgelegt ist, mehr als 300 W Leistung zu tragen.

53. Beleuchtungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, in dem das Leiterpaar (19, 22, 43, 48, 202) weitgehend von einer metallischen Abschirmung (201) umgeben ist.

54. Beleuchtungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, in dem das Leiterpaar parallel ist, so daß der Abstand zwischen ihnen der minimale Abstand, der von Sicherheitsstandards vorgegeben wird, ist.

55. Beleuchtungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, in dem das Leiterpaar einen näherungsweise rechtwinkligen Querschnitt hat und sie in ihrer Länge parallel ausgerichtet sind.

56. Beleuchtungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, das eine Spannungsstabilisierungseinrichtung beinhaltet für das Stabilisieren der Ausgangsspannung, so daß sie im wesentlichen unveränderlich ist ungeachtet von Variationen in der Wechselspannung.

57. Beleuchtungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, in dem der Energieversorgungsschaltkreis einen Tiefpaßfilter (13, 45) beinhaltet für das Reduzieren der Rückkopplung von Hochfrequenzströmen auf die Spannungsquelle.