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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltstromversorgung insbesondere
für Hochdrucklampen
und Neonröhren,
welche eine Einstellung des Leistungspegels und damit der Leuchtintensität der Emission
der Lampen ermöglicht.
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Das
zu betrachtende Problem betrifft den Start und die Stromversorgung
von als Lichtbogenlampen bekannten Leuchten (die optional Ultraviolettlicht
erzeugen, welche Neonröhren,
die üblicherweise
für Heim-
und Industriebeleuchtung und (weniger häufig) zur Erzeugung von ultravioletter
Strahlung verwendet werden, und Hochdrucklampen umfassen, die dort
benötigt
werden, wo hohe Lichtintensitäten
mit Versorgungsleistungspegeln von 400 W und darüber erforderlich sind.
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Diese
Lampen können
aufgrund ihrer Spannungs/Strom-Kennlinie nicht direkt mit der Netzversorgungsspannung
(220 VAC oder 380 VAC) verbunden werden; im Aus-Zustand verhalten sie sich praktisch
wie ein offener Kreis, und selbst wenn sie direkt mit der Netzwerkversorgungsleitung
verbunden würden
blieben sie (wenigstens für
Röhren
von 20 W aufwärts)
ausgeschaltet; ihr Start erfordert praktisch einen Impuls über diesen
mit einer kurzen Dauer (einige wenige Mikrosekunden), jedoch mit
einer hohen Spannung, deren Wert 500 bis 1000 V für Neonröhren und
sogar 5000 bis 8000 V für
Hochdrucklampen beträgt;
sobald der Lichtbogen, welcher das Element ist, das die Emission
(sichtbare oder andere) erzeugt, gestartet worden ist, versuchen
die Lampen die über ihnen
anliegenden Momentanspannung konstant zu halten. Demzufolge ist
es wiederum nicht möglich, diese
direkt aus dem Netz zu versorgen.
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Die
derzeit am häufigsten
eingesetzte Lösung
verwendet Hilfskomponenten, welche üblicherweise als Vorschaltgeräte bezeichnet
werden, welche in Reihe mit den Lampen angeordnet sind und es ermöglichen,
diese aus dem Netz zu versorgen, sobald sie gestartet sind; die
Vorschaltgeräte
allein starten jedoch nicht die Lichtbogenlampen, da andere Geräte wie z.B.
Starter für
Neonröhren
und Hochspannungsstarter für
Hochdrucklampen für
diesen Zweck erforderlich sind.
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1 und 2 stellen
zwei herkömmliche Schaltungen
dar, wobei die Bezugszeichen 1 die Vorschaltgeräte bezeichnen,
während
die Bezugszeichen 2 den Starter für die Neonröhre und den Hochspannungsstarter
für die
Hochdrucklampe bezeichnen. Die Schaltbilder werden durch mit dem
Bezugszeichen 3 bezeichnete Leistungsfaktor-Kompensationskondensatoren
vervollständigt,
welche für
Hochleistungsanwendungen unverzichtbar sind.
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Diese
Kombination von Vorrichtungen (Vorschaltgerät plus Starter für Neonröhren oder
Vorschaltgerät
plus Hochspannungsschalter für
Hochrucklampen) ist voluminös,
schwer (insbesondere für erhebliche
Leistungspegel, d.h., für
Hochdrucklampen), ermöglicht
keine Leistungspegelanpassung (mit Ausnahme der Ersetzung des Vorschaltgerätes oder
bei Verwendung eines weiteren Abgriffes in dem Falle von Vorschaltgeräten mit
mehrfachem Abgriff), halten den Leistungspegel an der Lampe nicht
konstant, wenn die Netzspannung variiert (wobei dies ein wesentlich
deutlicher merkbarer Effekt für
Röhren
mit höherer
Spannung ist) und entnehmen schließlich aus dem Netz einen hohen
Wert an Blindleistung, welcher ebenfalls Leistungsfaktor-Kompensationskondensatoren
für höhere Leistungspegel
erfordert.
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Schließlich ist
der Starter von Neonröhren eine
Vorrichtung, welche einer bestimmten Alterung unterliegt und sobald
sie defekt ist, den Start der Lampe verhindert.
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Eine
weitere Lösung,
welche nun relativ üblich
geworden ist, jedoch nur für
Neonröhren,
verwendet elektronische Schaltungen, welche allgemein als elektronische
Vorschaltgeräte
bekannt sind, welche anfangs vor 15 bis 20 Jahren aufgrund der besseren
Verfügbarkeit
elektronischer Leistungskomponenten, die als Hochspannungs-BJTs
und MOS-FETs bekannt
sind, auf den Markt gebracht wurden. Diese Schaltungen versuchen
sowohl das Vorschaltgerät
als auch den Starter, jedoch nur für Neonröhren zu eliminieren.
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Ferner
handhaben diese Geräte
typischerweise niedrige Leistungspegel (50 bis 200 W) und betreiben
nur eine oder zwei Röhren;
und erlauben letztlich keine Helligkeitseinstellung.
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3 stellt
ein bekanntes und etabliertes Schaltbild dieser elektronischen Vorschaltgeräte dar, das
aus dem Texas Instruments Anwendungshandbuch entnommen ist, wel ches
das Arbeitsprinzip der Schaltung und die Art erläutert, in welcher sie in der Lage
ist, eine Neonröhre
mittels eines geeignet angeordneten Induktors zusammen mit weiteren
Hilfskomponenten wie z.B. Kondensatoren und PTCs zu starten.
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Die
in 3 dargestellte Schaltung versorgt in jedem Falle
nur eine Neonröhre,
handhabt sehr niedrige Leistungspegel und besitzt keine Einstellmöglichkeit;
ferner ist sie eine selbst oszillierende Schaltung, d.h., sie erzeugt
eine Rechteckwelle mittels welcher sie die Neonröhre betreibt, indem sie einen
Teil des Kollektorstroms der BJTs an die Basen zurückführt.
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Diese
Schaltungen sind derzeit in Bezug auf Vorschaltgeräte von den
Kosten her nicht wettbewerbsfähig.
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Bezüglich Hochdrucklampen
ist dagegen derzeit kein Gerät
bekannt, das die Kombination eines Vorschaltgerätes und eines Starters (plus
eines Leistungsfaktor-Kompensationskondensators)
eliminiert, oder den Leistungspegel an der Lampe trotz variierender
Netzspannung konstant hält,
oder eine leichte Leistungspegelanpassung ermöglicht. Diesbezüglich sei
angemerkt, dass bei den Leistungspegeln, die mit diesen Lampen ins
Spiel kommen, die Verluste der Vorschaltgeräte alles andere als vernachlässigbar
werden, was oft Ventilationssysteme innerhalb der Vorrichtungen
erfordert, welche die Röhre
und das Vorschaltgerät
aufnimmt.
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Statt
dessen ist bekannt, dass EP-A-0 765 108 eine Hochleistungsentladungslampen-Beleuchtungsvorrichtung
offenbart, welche im Wesentlichen die in dem Oberbegriff von Anspruch
1 angeführten Merkmale
aufweist.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Lösung der vorstehend erwähnten Probleme, der
Elimination der Nachteile der zitierten herkömmlichen Technik, und daher
in der Bereitstellung einer Schaltstromversorgung, welche es ermöglicht,
Lichtbogenlampen wie die beschriebenen zu starten, zu versorgen
und einzustellen, gleichzeitig kompakte Abmessungen, beschränktes Gewicht,
hohen Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit
und eine beschränkte Einspeisung
von Blindleistung in das Netz ohne Verwendung von Leistungsfaktor-Kompensationskondensatoren
aufweist.
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Innerhalb
des Schutzumfangs dieses Anspruches besteht eine wichtige Aufgabe
in der Bereitstellung einer Schaltstromversorgung, welche schaltungstechnisch
ziemlich einfach ist und niedrige Herstellungskosten aufweist.
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Dieses
Ziel, diese Aufgabe und weitere werden, wie es hierin nachstehend
offensichtlich wird, durch eine Schaltstromversorgung insbesondere
für Hochdrucklampen
und Neonröhren
gemäß Beanspruchung
in Anspruch 1 erreicht.
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Vorteilhafterweise
sind die Induktoren und Kondensatoren so angepasst, dass sie Neonröhren mittels
einer angepassten Steuerlogikeinheit starten, welche die Halbleiter
der Leistungsstufe mit geeigneten Signalen gemäß einer sehr spezifischen Sequenz
ansteuert, die zum Erzielen eines Starts angepasst ist, während die
Röhre ausgeschaltet
ist, und dann angepasst wird, den Leistungspegel konstant zu halten,
wenn die Röhre
eingeschaltet ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden
detaillierten Beschreibung einer speziellen, jedoch nicht ausschließlichen
Ausführungsform
ersichtlich, die lediglich im Rahmen eines nicht einschränkenden
Beispiels in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt ist, wobei:
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1 und 2 zwei üblicherweise
verwendete Schaltungen zum Starten und Versorgen von Hochdrucklampen
und Neonröhren
darstellen;
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3 ein
herkömmliches
Schaltbild eines elektronischen Vorschaltgerätes ist;
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4 eine
Blockdarstellung der Stromversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
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5 eine
Konzeptdarstellung ist, welche es ermöglicht, die Startspannung,
insbesondere für Hochdrucklampen
optimiert, zu erzielen;
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6 eine
Ansicht der Verbindung der Stromversorgung der Erfindung mit einer
möglichen Gruppenschaltung
von Neonröhren
ist;
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7 ein
Schaltbild einer möglichen
Ausführungsform
der Steuerlogikeinheit der Energieversorgung gemäß der Erfindung ist.
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Unter
Bezugnahme auf die vorstehend genannten Figuren und insbesondere 4 bezeichnet das
Bezugszeichen 4 eine Leistungsstufe, welche bevorzugt jedoch
nicht ausschließlich
eine als Halbbrücke
bekannte Schaltung ist, in welcher als IGBTs bekannte Halbleiter
verwendet werden; diese Auswahl wurde aufgrund der Einfachheit und
niedrigen Kosten und in Hinblick auf die beteiligten Spannungen
getroffen, ist jedoch nicht einschränkend.
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Weitere äquivalente
Lösungen,
wie z.B. die Vollbrücke,
die Sperrwandlerkonfiguration, Vorwärtskonfiguration und Gegentaktkonfiguration
können
als eine Alternative verwendet werden.
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Die
Halbbrücke
ist äquivalent
zu einem Generator einer Rechteckwellenspannung, deren Wert wesentliche
höher als
die Lichtbogenentladungsspannung einer Hochdrucklampe 20 ist.
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Die
Halbbrücke,
die durch die insgesamt mit dem Bezugszeichen 5 bezeichneten
und einzeln mit den Bezugszeichen Q1 und Q2 bezeichneten Schaltern
aufgebaut ist, versorgt die Hochdrucklampe 20 mittels eines
mit dem Bezugszeichen 6 bezeichneten Transformators oder
Spartransformators, mittels zwei durch die Bezugszeichen 7a, 7b bezeichneten Induktoren,
und durch das Vorhandensein eines durch das Bezugszeichen 8 bezeichneten
Kondensators.
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Der
Strom, der durch die Induktoren 7a und 7b (und
daher durch die Hochdrucklampe 20, sobald sie gestartet
ist und unter der Annahme, dass der Kondensator 8 in dieser
Situation vernachlässigbar ist)
fließt,
fließt
durch einen mit dem Bezugszeichen 9 bezeichneten Stromtransformator,
welcher eine geeignete reduzierte Kopie des Stroms an eine mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnete
Steuerlogikeinheit zurückgibt.
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Der
Induktor 7a ist ein Induktor, welcher es in der Praxis
ermöglicht,
den Ausgang der Halbbrücke mit
der Lampe 20 zu verbinden: Er bewirkt, dass der Strom,
der die Lampe versorgt, angenähert
dreieckig ist, und es kann leicht überprüft werden, dass die Spit ze/Spitze-Amplitude
des Stroms und daher dessen Wert als eine Funktion der Frequenz
der von der Halbbrücke
erzeugten Rechteckwelle und als eine Funktion des Wertes des Induktors 7a variiert.
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Daher
ist es durch Variieren der Ansteuerfrequenz der elektronischen Schalter
Q1 und Q2 der Halbbrücke
mittels der Steuerlogikeinheit 11 möglich, den effektiven Strom
zu steuern, der durch die Hochdrucklampe 20 fließt, und
damit ihre Helligkeit zu steuern. Die Steuerlogikeinheit 11 misst
auch den durch die Hochdrucklampe 20 fließenden Strom
mittels des Stromtransformators 9 und ist in der Lage, die
Ansteuerfrequenz der Halbbrücke
zu ändern,
um den Strom konstant zu halten, wenn beispielsweise die Netzspannung
variiert.
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Demzufolge
ist es mittels eines mit dem Bezugszeichen 12 bezeichneten
einfachen Potentiometers möglich,
den Strom, der durch die Lampe fließen muss, und somit den Leistungspegel
einzustellen, und eine geeignete Rückkopplungsschaltung 13 stellt
sicher, dass der mittels des Stromtransformators 9 gemessene
Strom in der Lampe dann gleich dem eingestellten Wert unabhängig von
dem Grund, warum er zur Änderung
neigt, bleibt. Ein Verfahren zur Einstellung des von einem Schalttransformators gelieferten
Leistungspegels mittels der Frequenz kann auch mittels herkömmlicher
Stromversorgungen erzielt werden, wie beispielsweise die Typen,
die als Resonanzhalbbrücken
mit Reihen- oder Parallellast oder als quasiresonanten Umrichter
bekannt sind, welche jedoch nicht auf dem Gebiet der Beleuchtung
verwendet werden, wobei noch einmal angemerkt wird, dass es keine
für den
Betrieb von Hochdrucklampen angepasste Schaltstromversorgungen gibt.
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Aus
Gründen
hinsichtlich des Wirkungsgrads der Halbbrücke, der Einfachheit der IGBT
Treiberschaltungen und der Einschränkung der von der Stromversorgung
erzeugten Störungen,
variiert die Schaltfrequenz, wenn die Lampe 20 eingeschaltet ist,
bevorzugt zwischen 35 kHz und 20 kHz.
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Demzufolge
wird der Induktor 7a so ausgelegt und bemessen, dass er
den korrekten Strom an die Lampe ausgehend von der von der Leistungsbrücke 4 erzeugten
Spitzen/Spitzen-Spannung und von der Spannung, die über der
Lampe auftritt, wenn sie gestartet ist, liefert.
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Der
Wert des Induktors hängt
von dem Wert der Rechteckwellenspannung über diesem, von der Arbeitsfrequenz
und dem an die Lampe anzulegenden effektiven Strom ab.
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5 ist
eine Ansicht des Konzeptschaltbildes, mittels welchem es möglich ist,
die Startspannung, insbesondere optimiert für Hochdrucklampen 20,
(welche 5000 bis 8000 V benötigen)
ausgehend von einer deutlich niedrigeren AC-Spannung unter Verwendung
der Resonanz einer Reihen-RLC-Schaltung zu erzeugen.
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Die
nachstehend beschriebenen Anforderungen sind für Hochdrucklampen erforderlich,
deren Start tatsächlich
wesentlich höhere
Spannungen benötigt,
als sie anschließend
nach dem Start benötigt werden;
für Neonröhren ist
der noch zu beschreibende sättigbare
Induktor 7b nicht erforderlich, und ist in dem Stromversorgungsschaltbild
der Neonröhren nicht
vorhanden.
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Dieses
Konzeptschaltbild ähnelt
teilweise dem in der zitierten Texas Instruments Schaltung verwendeten,
welches jedoch nicht auf dem Gebiet der vorliegenden Anwendung verwendet
werden kann. Die hier präsentierte
Analyse ist statt dessen streng und die angegebenen Gleichungen
können
leicht interpretiert werden und zeigen, dass es durch Anlegen einer
sinusförmigen
Kurve an eine Reihen-RLC-Zelle, deren Frequenz gleich der Resonanzfrequenz
ist, möglich
ist, auf dem Kondensator eine Spannung VO zu
erzeugen, welche Q-mal höher
als die Eingangsspannung Vi
ist, wobei Q = 1/R√(L/c) ist, und somit ziemlich
leicht Werte in der Größenordnung
von dem Hundertfachen zu erreichen.
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Der
Induktor L muss daher in Reihe zu der Lampe angeordnet sein, wobei
jedoch sofort angemerkt wird, dass es nicht ausreicht, denselben
Induktor zu verwenden, der die Halbbrücke an die Hochdrucklampe anpasst,
da der Adaptions-L und der Start-L deutlich unterschiedliche Werte
haben müssen;
für Neonröhren können dagegen
die zwei Werte von L sehr nahe beieinander liegen, und es ist möglich, nur
eine Komponente zu verwenden; in jedem Falle bleibt die vorliegende
Beschreibung gültig.
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Der
Kondensator C (Kondensator 8) ist ein angepasster Kondensator,
welcher in der Praxis zu der Lampe parallel geschaltet ist; der
Widerstand R enthält
alle diese Verlustkomponenten des Kondensators und insbesondere
des Induktors und des Ausgangstransformators.
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Daher
ist es durch Ansteuern der Leistungsbrücken bei der Resonanzfrequenz
möglich,
eine Ausnützung
des beschriebenen Phänomens
zu versuchen, um die ausgeschaltete Lampe zu starten.
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Jedoch
darf der Kondensator C nicht zu groß sein, da er wie erwähnt parallel
zu der Lampe liegt, und, wenn die Lampe eingeschaltet ist, sein
Effekt vernachlässigbar
sein muss, um so eine Belastung der Leistungsbrücke mit einer unnötigen zusätzlichen Belastung
und wenn auch nur einer reaktiven zu verschlechtern, was den Wirkungsgrad
und die Qualität der
Einstellung verschlechtern würde.
Ferner reduziert eine Vergrößerung in
C den Wert von Q; auch L kann nicht so groß im Falle von Hochdrucklampen sein,
da die Wahl ihres Wertes von den vorstehend dargestellten Beobachtungen
bezüglich
ihrer Rolle bei der Ermittlung des Stroms in der Lampe abhängt; ein
zu großer
Wert davon würde
eine extrem niedrige Betriebsfrequenz erzwingen, wenn die Lampe
eingeschaltet ist und würde
dazu zwingen, den Transformator 6 mit einem weniger günstigen
Windungsverhältnis
für die
Größe von Q1
und Q2 auszulegen.
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Demzufolge
müssen
die Werte von C und L in der Praxis durch den Rest des Designs begrenzt werden
und würden
(für Hochdrucklampen)
eine Resonanzfrequenz von angenähert
300 kHz erzeugen; eine derartige Frequenz ist für eine für 20 bis 40 kHz aufgebaute
Schaltstromversorgung nicht erreichbar, da IGBTs für derartige
Frequenzen ungeeignet sind (welche durch MOSFETs erreicht werden,
welche jedoch andere signifikante Nachteile in Hinblick auf die Schaltungen
mit sich bringen), und es ist erforderlich, sowohl die Treiber (welche
nun nicht mehr einfach und billig sein können, da sie zehnfach höhere Leistungspegel
handhaben müssen)
als auch die Steuerlogikeinheit neu auszulegen.
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Die
für Hochdrucklampen
angewendete Lösung,
welche ebenfalls beansprucht wird, besteht darin, in Reihe zu einem
Induktor 7, welcher ein Kopplungsinduktor zwischen dem
Rechteckwellenausgang der Leistungshalbbrücke 4 und der Lampe
ist, einen zwei ten Induktor 7b anzuordnen, welcher einen
höheren
Wert (drei bis fünfmal
höher)
aufweist, der aber sättigbar
ist; auf diese Weise erscheint, während die Lampe im Aus-Zustand ist, und
der durch sie fließende
Strom 0 ist, der Induktor 7b als in Reihe zu dem Induktor 7a liegend
und reduziert um einen Faktor von 2 bis 2,5 die Resonanzfrequenz
der Induktoren 7a, 7b und des Kondensators 8,
und bringt sie angenähert
an 150 kHz; ferner erhöht
dieses Gütefaktor
der Schaltung, indem es die an dem Kondensator 8 bei Resonanz
verfügbare
Spannung erhöht.
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Wenn
die Lampe in Ein-Zustand ist, ist der durch die Induktoren 7a und 7b fließende Strom
so, dass er den Induktor 7b für den größten Teil jeder Betriebshalbperiode
sättigt,
und demzufolge nur den Induktor 7a (wesentlich kleiner
als der Induktor 7b) für die
Form und Amplitude des Stroms in der Lampe verantwortlich belässt.
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Die
Verzerrung an der Wellenform des Stroms und der Verlust an dem Induktor 7b aufgrund der
Sättigung
sind im Wesentlichen irrelevant.
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Es
ist jedoch immer noch nicht leicht, die IGBTs der Leistungsbrücke 4 bei
150 kHz zu betreiben, wen die Betriebsfrequenz tatsächlich fünfmal niedriger
ist, da dieses komplexe Treiber erfordern würde, welche zu vermeiden sind;
die angewandte Lösung, welche
ebenfalls beansprucht wird, besteht darin, die Betriebsfrequenz
der Brücke
auf angenähert
50 bis 60 kHz zu bringen, und demzufolge die dritte harmonische
der Ausgangs-Rechteckwelle
zu nutzen, um die neue (reduzierte) Resonanzfrequenz an die von den
Komponenten 7a, 7b und 8 gebildete Schaltung anzulegen.
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Diese
Lösung
ist durchführbar,
da es möglich ist,
einen periodischen Wert als die Summe von Sinusanteilen und Cosinusanteilen
auszudrücken,
deren Frequenz gleich der Frequenz des betrachteten Wertes und all
seiner unendlichen Oberwellen ist, deren Frequenz ein Vielfaches
mit geeigneter Amplitude ist; insbesondere kann eine Rechteckwelle,
wie z.B. die von der Leistungsbrücke
erzeugte, in eine Grundwelle mit geeigneter Amplitude plus der dritten
Oberwelle gleich 1/3 der Grundwelle plus allen anderen ungeradzahligen
Oberwellen mit abnehmender Amplituden aufgelöst werden; demzufolge kann,
wenn die Halbbrücke
eine Rechteckwelle mit einer Amplitude von 100 V Spitze erzeugt,
diese in eine Grundsinuswelle aufgelöst werden, welche eine Amplitude
von 127 V Spitze hat, plus der dritten Oberwelle, welche eine Amplitude
von 42 V in der Spitze hat, plus einer fünften Oberwelle mit einer Amplitude
von 25 V Spitze usw.
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Demzufolge
fällt,
wenn die Steuerlogik 11 bei ausgeschalteter Lampe 20 die
Leistungshalbbrücke 4 bei
50 bis 60 kHz betreibt, die dritte Oberwelle mit der Resonanzfrequenz
der Komponenten 7a, 7b und 8 zusammen,
und wenn das Q der Schaltungen hoch genug ist, ist es möglich, an
dem Kondensator 8 die 8000 V zu erzielen, die zum Start
einer Hochdrucklampe erforderlich sind.
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Es
sollte auch angemerkt werden, dass das elektronische Vorschaltgerät von Texas
Instruments tatsächlich
diesen Mechanismus verwendet, da es ebenfalls eine Resonanzlast
sieht, wenn die Lampe im Aus-Zustand ist; es liegt jedoch ein bestimmter Vorteil
durch den sehr hohen Wert des Induktors 7a von 3 (15-
bis 20-fach, da die Last eine Neonröhre ist, welche wesentlich
geringere Ströme
benötigt) in
Bezug auf die Anforderungen für
die Hochdrucklampe vor, und dieses erlaubt eine Resonanz bei etwa
40 bis 50 kHz; ferner ermöglicht
in Anbetracht der niedrigeren Spannung, die zum Starten von Neonröhren benötigt wird
(500 bis 1000 V) dieselbe Oszillationsfrequenz, wenn die Lampe 20 eingeschaltet ist
(oder eine etwas höhere,
wie sie aufgrund des höheren
Stroms auftritt, der den TR1, TR2, R4, R6 und T2 während des
Starts beeinflusst) das Erzielen der Startspannung.
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Jedoch
besitzt die von den Induktoren 7a, 7b und dem
Kondensator 8 gebildete Schaltung erhebliche Toleranzen
bezüglich
der Werte ihrer Komponenten: der Kondensator 8 kann mit
einer Toleranz von 10% (oder 5% wenn es sein muss) gefunden werden; von
den Komponenten 7a–7b erwartet
kann keine kleinere Toleranz als 10 bis 15% erwartet werden; schließlich kann
die Resonanzfrequenz der vorstehenden Schaltung wenigstens in derselben
Größenordnung
variieren, und man kann nicht sicher sein, dass man durch Anlegen
einer Frequenz von angenähert
50 bis 60 kHz an die Leistungshalbbrücke die Resonanzfrequenz der
drei Komponenten anregt.
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Eine
wichtige Lösung
der Erfindung, deren Originalität
beansprucht wird, kommt ins Spiel: nämlich die Tatsache, dass wenn
die Lampe im Aus-Zustand ist, die Betriebsfrequenz der Halbbrücke den gesamten
möglichen
Bereich auf der Basis der vorstehend erwähnten Toleranz überstreicht,
um die Resonanz von 7a, 7b und 8 zu erhalten;
dem zufolge betreibt die Steuerlogikeinheit die Leistungshalbbrücke mit
einer Frequenz, welche innerhalb weniger Zehntel einer Sekunde beispielsweise
von 60 kHz bis 20 kHz einige Male durchläuft, bis ein Starten erzielt wird.
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Es
ist selbstverständlich,
dass sobald der Lichtbogen gezündet
hat, die Steuerlogikeinheit 11 den Betriebsmodus ändern muss,
und demzufolge von dem Überstreichen
zwischen 60 und 20 kHz zum Finden der Resonanz von 7a, 7b und 8 auf
die Einstellung des Stroms umschaltet, der durch die Lampe 20 fließt, und
demzufolge die Frequenz zu diesem Zeitpunkt modifiziert, um den
Strom konstant zu halten.
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Ein
weiterer Anspruch der vorliegenden Erfindung entsteht aus dem Vorstehenden:
Nämlich, dass
die Steuerlogikeinheit in der Lage sein muss, zwischen dem Aus-Zustand
der Lampe und dem Ein-Zustand der Lampe zu unterscheiden, die Suche der
Resonanz von 7a, 7b und 8b in dem ersten
Falle zu starten, bis das Zünden
der Lampe erreicht wird, und in dem zweiten Falle, die Betriebsfrequenz
zu steuern, um den effektiven Strom in der Lampe konstant zu halten.
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Dieses
Ziel kann auf zwei Arten erreicht werden: Man verwendet eine elektronische
Schaltung mit Standardlogikgattern wie z.B. den bekannten CD 40106
und linearen integrierten Schaltungen wie z.B. LM 393 und LM 358;
ein zweites verbessertes Verfahren besteht in dem Zuweisen der Verwaltung
des gesamten Lampenstarts und des Einstellungsprozesses an einem
Mikroprozessor, der mit geeigneter Software ausgestattet ist, welcher
wie vorstehend erwähnt,
misst, ob die Lampe ein- oder ausgeschaltet ist, die Leistungsbrücke bei
einer variablen Frequenz betreibt, solange die Lampe im Aus-Zustand ist, und mit
der Einstellung der Frequenz wie vorstehend beginnt, wenn sich die
Lampe im Ein-Zustand befindet.
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Eine
derartige Lösung
hat den Vorteil, dass sie in der Lage ist, komplexere Situationen
zu bewältigen,
wie z.B. den Neustart der Lampe, wenn diese warm ist (beispielsweise
nach einem Netzausfall), welcher höhere Spannungen erfordert,
und nicht sofort erfolgen kann; sie kann auch die mehrfache Ansteuerung
mehrerer Lampen bewältigen,
eine Leistung, zu welcher die Erfindung fähig ist, und deren Originalität ebenfalls
beansprucht wird; sie kann auch eine Fernsteuerung mittels eines
Computers ermöglichen,
wenn ein System mehrerer gleichzeitig zu betreibender Lampen vorliegt
(beispielsweise auf dem Gebiet öffentlicher
oder industrieller Beleuchtung); sie kann Beleuchtungssequenzen
bei unterschiedlichen Leistungspegeln für unterschiedliche Zeiten (z.B.
für Sonnenbäder) ermöglichen;
sie kann ein programmiertes Starten bei speziellen Ereignissen (z.B.
Dämmerungsbeleuchtung)
ermöglichen.
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Schließlich sei
angemerkt, dass die Struktur des Ausgangsnetzes (7a, 7b und 8)
nur für
das Ansteuern von Hochdrucklampen erforderlich ist, welche sehr
hohe Startspannungen (5000 bis 8000 V) erfordern; für Neonröhren ist
der in 6 dargestellte Aufbau reichlich ausreichend, obwohl
der vorstehend beschriebene "Resonanzsuch"-Mechanismus und der anschließende "Frequenzeinstell"-Mechanismus für die Leistungssteuerung
gültig
bleiben; um anormale Situationen (z.B. das Ausschalten einer Röhre in einer
Gruppe von 50 Röhren)
zu handhaben, kann die Logikeinheit 11 individuell den
Strom jeder Röhre oder
einer Gruppe von Röhren
(beispielsweise 5 Gruppen von Röhren 10)
messen, um Komponenten einzusparen oder die Verdrahtung zu vereinfachen.
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Eine
derartige Lösung
ist in 6 exemplarisch dargestellt, in welcher das Bezugszeichen 14 die
Stromtransformatoren bezeichnet, welche die vorstehend beschriebene
Situation bereitstellen.
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Diese
möglichen
Varianten der vorgeschlagenen Schaltungen sind ebenfalls als beansprucht zu
betrachtet.
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Die
Verwendung eines Stromtransformators, der durch mehrere Paare von
Stromversorgungsleitungen einzelner Neonlampen in entgegengesetzten Richtungen
durchlaufen wird, um so das Einschalten von einer der Neonröhren zu
detektieren, ist als ein erprobtes Konzept zu betrachten und ein
Gegenstand der vorliegenden Beschreibung.
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Schließlich wird
angemerkt, dass die Stromversorgung gemäß der Erfindung für eine Verbindung mit
einer Dreiphasennetzversorgungsleitung bei 220 bis 400 V (mit einem
zwischengeschalteten optionalen Filter) erdacht wurde; ihre Verbindung
mit einem einphasigen Netz (Hausnetz mit beispielsweise 220 V) ist
in gleicher Weise möglich,
indem wenige zusätzliche
Komponenten, wie z.B. Kondensatoren und Schaltungen zum Reduzieren
des Startstroms gemäß Vorschrift
durch Europäische
Normen hinzugefügt
wer den, oder mittels Schaltungen zum Korrigieren des aus dem Netz
entnommenen Stroms, welcher als PFCs bekannt sind, wie sie bereits
durch die Standards für
bestimmte Gebiete und Leistungspegel vorgeschrieben werden, und
wie sie auf zunehmend breiteren Gebieten in Zukunft vorgeschrieben werden.
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Diese
Varianten der Erfindung müssen
ebenfalls als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung betrachtet
werden, da sie wiederum insgesamt ein Schaltnetzteil für Hochdrucklampen
und Neonröhren mit
einer Leistungseinstellung bereitstellen, welche in der Lage ist,
die Lampen ohne die Verwendung von Startern zu starten.
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Die
beschriebene Stromversorgung ist hinsichtlich ihrer Schaltung anders
und komplizierter als das Neonröhren-Vorschaltgerät von 3,
da das Letztere im Wesentlichen eine selbstoszillierende Schaltung
ist, weil eine erheblich unterschiedliche Bogenlampenstromversorgungsschaltung
vorliegt, und insbesondere deshalb, weil die Stromversorgung gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Steuerschaltung enthält, welche dafür geeignet
ist, den Lampenstart und die Einstellung durchzuführen, welche
bei der Schaltung von Texas Instruments vollständig fehlt, die nicht in der
Lage ist, Hochleistungspegel zu liefern, und noch weniger Hochdrucklampen
zu beherrschen.
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Es
wurde somit beobachtet, dass die Erfindung das gesteckte Ziel und
die Aufgaben gelöst
hat, indem eine Energieversorgung erdacht wurde, welche das Starten
der Stromversorgung und die Einstellung von Neonröhren oder
Hochdrucklampen ermöglicht,
während
sie kompakte Abmessungen, ein bescheidenes Gewicht, hohen Wirkungsgrad
und Zuverlässigkeit,
und einschränkte
Einspeisung von Blindleistung in das Netz ohne Verwendung von Leistungsfaktor-Kompensationskondensatoren
ermöglicht,
wobei die Energieversorgung gleichzeitig schaltungstechnisch ziemlich
einfach ist und geringe Fertigungskosten besitzt.
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Das
Gerät ist
natürlich
für zahlreiche
Modifikationen und Varianten geeignet, wovon alle innerhalb des
Schutzumfangs desselben erfindungsgemäßen Konzeptes liegen.
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Die
Materialien und Abmessungen, welche die individuellen Komponenten
des Gerätes
bilden, können
natürlich
auch die für
spezifische Anforderungen relevantesten sein.
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Die
Offenbarungen in der Italienischen Patentanmeldung Nr. DV 98A 000114,
der gegenüber dieser
Anmeldung Priorität
beansprucht, sind hierin durch Bezugnahme beinhaltet.
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Wenn
in irgendeinem Anspruch erwähnten technischen
Merkmal Bezugszeichen folgen, wurden diese Bezugszeichen für den alleinigen
Zweck der Erhöhung
der Verständlichkeit
der Ansprüche
eingefügt,
und demzufolge haben derartige Bezugszeichen keinerlei einschränkenden
Effekt auf die Interpretation jedes Elementes, das im Rahmen eines Beispiels
durch derartige Bezugszeichen identifiziert wird.