EP0113451B1 - Wechselrichter mit einem einen Reihenresonanzkreis und eine Entladungslampe enthaltenden Lastkreis - Google Patents

Wechselrichter mit einem einen Reihenresonanzkreis und eine Entladungslampe enthaltenden Lastkreis Download PDF

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EP0113451B1
EP0113451B1 EP83112488A EP83112488A EP0113451B1 EP 0113451 B1 EP0113451 B1 EP 0113451B1 EP 83112488 A EP83112488 A EP 83112488A EP 83112488 A EP83112488 A EP 83112488A EP 0113451 B1 EP0113451 B1 EP 0113451B1
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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/26—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from DC by means of a converter, e.g. by high-voltage DC
    • H05B41/28—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from DC by means of a converter, e.g. by high-voltage DC using static converters
    • H05B41/295—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from DC by means of a converter, e.g. by high-voltage DC using static converters with semiconductor devices and specially adapted for lamps with preheating electrodes, e.g. for fluorescent lamps
    • H05B41/298—Arrangements for protecting lamps or circuits against abnormal operating conditions
    • H05B41/2981—Arrangements for protecting lamps or circuits against abnormal operating conditions for protecting the circuit against abnormal operating conditions
    • H05B41/2985—Arrangements for protecting lamps or circuits against abnormal operating conditions for protecting the circuit against abnormal operating conditions against abnormal lamp operating conditions
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S315/00—Electric lamp and discharge devices: systems
    • Y10S315/07—Starting and control circuits for gas discharge lamp using transistors

Definitions

  • the invention relates to an inverter with the features of the preamble of claim 1.
  • the object of the invention is therefore to avoid impermissible overvoltages.
  • the solution according to the invention is characterized in an inverter of the type mentioned at the outset by the features of the second part of the main claim.
  • each series resonance circuit has to be assigned such a parallel branch with voltage-dependent resistance.
  • the characteristic of a voltage-dependent resistor has a first range in which practically no current flows up to a certain limit voltage. This is followed by the current-carrying area in which the characteristic curve is to run as steeply as possible: the voltage-dependent resistor therefore blocks practically up to the limit voltage in both directions and has a practically very low resistance for voltages above it. With a corresponding adjustment of the limit voltage of the voltage-dependent resistor to the data of the inverter and its load circuit, it can be achieved that the voltage-dependent resistor works in the current-carrying area when the lamp is ignited.
  • the voltage-dependent resistor is also dimensioned such that it carries practically no current when the lamp has ignited: the series resonant circuit is then damped by the lamp or completely ineffective.
  • the voltage on the components of the load circuit is limited to the lower operating voltage of the lamp.
  • the inverter W is connected via terminals w1, w2 to a step-up converter H, which in turn is fed by an AC voltage network N and which supplies the inverter with a DC voltage. Between the terminals w1, w2 there is a very large storage capacitor C6 and the series connection of the two controllable switches in the form of transistor V1, V2.
  • the load circuit Parallel to the switching path of V1 is the load circuit, which consists of a series connection of a reversing capacitor C1, a discharge lamp E with the heatable electrodes e1, e2, an inductor L and the primary winding t1 of a saturation transformer T; the electrodes e1, e2 of the lamp E are connected in series via a capacitor C, this capacitor C and the inductor L determining the resonance frequency f o .
  • the two transistors V1, V2 are alternately turned on by a control set S, this control set containing secondary windings t2, t3 of the saturation transformer, from which the control voltages for the transistors are derived.
  • the operating frequency f B of the inverter is determined here by the dimensioning of the saturation transformer T in relation to the dimensioning of the inverter and its load circuit; it must always be above the resonance frequency of the load circuit, so that a currentless phase between the blocking of one transistor and the control of the other is ensured.
  • the voltage-dependent resistor R1 forms a parallel branch in series with a capacitor C4, which is connected in parallel with the series circuit comprising the inductor L, the saturation transformer T and the second transistor V2 of the inverter: C4 becomes C over conductive V2 and C1 charged from the storage capacitor C6 and reloaded in the same way when the V1 is conductive as soon as the limit voltage of R1 is exceeded.
  • the monitoring device for current-dependent disconnection of the inverter is connected to the capacitor C4: a thyristor V3 is used for disconnection, which is connected to DC voltage via the electrode e1 and to which a further secondary winding t4 of the saturation transformer T is connected in parallel via a diode D3.
  • the control path of this thyristor is connected via a switching diode D2 to an RC element R3, C5, which is connected in parallel with the aforementioned capacitor C4 via a resistor R2 and a diode D1.
  • thyristor V3 becomes conductive and short-circuits the winding t4, so that the transistors of the inverter no longer receive any control voltages.
  • the ignition capacitor C3, which is also parallel to V3, is short-circuited, the voltage of which initiates the start of the inverter via a switching diode D4. This state remains until the holding circuit of the thyristor is interrupted by replacing the lamp E.
  • the operating frequency can be shifted in the opposite direction up to the limit value f BG with the associated curve KRG.
  • the components must be dimensioned so that the highest operating frequency in question does not exceed this limit value, so that an operating point in the current-carrying region of the characteristic curve of the voltage-dependent resistor R1 is guaranteed.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 1.
  • Bei einem solchen, aus der DE-A-31 12 281 bekannten Wechselrichter ist darauf zu achten, daß die abwechselnd stromführenden Schalter niemals, auch nicht kurzzeitig, gleichzeitig Strom führen und dadurch die Gleichspannungsquelle kurzschließen; besonders wichtig ist die Einhaltung dieser Bedingung bei Verwendung von Halbleiterschaltern. Bei einem Wechselrichter der eingangs genannten Art wird daher die z. B. durch einen Sättigunqstransformator bestimmte Betriebsfrequenz des Wechselrichters bei Zündbetrieb über die Resonanzfrequenz des Reihenresonanzkreises gelegt: Der Wechselrichter ist dann induktiv belastet und der Strom durch einen Schalter wird zwangsläufig Null, bevor die Spannung durch Null geht und davon abhängig der andere Schalter durchgesteuert wird.
  • Verschiedene Ursachen, z. B. Ausfall einer von mehreren Lampen oder ungünstiges Zusammentreffen der Toleranzen von Bauelementen, können dazu führen, daß die Betriebsfrequenz des Wechselrichters dicht an die Resonanzfrequenz heranrückt, was - vor allem bei sehr verlustarmen Bauelementen des Reihenresonanzkreises - entsprechend hohe Spannungen zur folge hat, die nicht nur die Bauelemente des Wechselrichters sondern auch Menschen beim arbeiten an den Lampenfassungen gefährden können.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unzulässige Überspannungen zu vermeiden. Die erfindungsgemäße Lösung ist bei einem Wechselrichter der eingangs genannten Art gekennzeichnet durch die Merkmale des zweiten Teils des Hauptanspruchs.
  • Speist der Wechselrichter mehrere Lampen mit zugeordneten Reihenresonanzkreisen im Parallelbetrieb, so ist jedem Reihenresonanzkreis ein derartiger Parallelzweig mit spannungsabhängigem Widerstand zuzuordnen.
  • Die Kennlinie eines spannungsabhängigen Widerstandes weist einen ersten Bereich auf, in dem bis zu einer bestimmten Grenzspannung praktisch kein Strom fließt. Daran schließt sich der stromführende Bereich an, in dem die Kennlinie möglichst steil verlaufen soll: Der spannungsabhängige Widerstand sperrt also praktisch bis zu der Grenzspannung in beiden Richtung und hat für darüberliegende Spannungen einen praktisch sehr kleinen Widerstand. Bei entsprechender Abstimmung der Grenzspannung des spannungsabhängigen Widerstandes auf die Daten des Wechselrichters und seines Lastkreises läßt sich erreichen, daß der spannungsabhängige Widerstand bei Zündbetrieb der Lampe in dem stromführenden Bereich arbeitet.
  • Der spannungsabhängige Widerstand ist ferner so bemessen, daß er praktisch keinen Strom führt, wenn die Lampe gezündet hat: Der Reihenresonanzkreis ist dann durch die Lampe bedämpft oder völlig unwirksam. Die Spannung an den Bauelementen des Lastkreises ist auf die niedrigere Brennspannung der Lampe begrenzt.
  • Bei stromführenden spannungsabhängigem Widerstand - also bei Zündbetrieb - wird der mit ihm in Reihe geschaltete Kondensator wirksam und dadurch die Resonanzfrequenz des Reihenresonanzkreises verändert. Bei entsprechend steiler Kennlinie des spannungsabhängigen Widerstandes hat dann selbst eine Variation der Betriebsfrequenz des Wechselrichters in einem weiten Bereich nur eine sehr geringe Änderung der Zündspannung an der Lampe zur Folge. Dementsprechend kann man Bauelemente mit großer Toleranz zulassen, die außerdem nur eine entsprechend niedrige Spannungsfestigkeit zu haben brauchen.
  • Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; es zeigen
    • FIG 1 die Schaltung eines Ausführungsbeispieles und
    • FIG 2 die Abhängigkeit zwischen Frequenz und Spannung an der Entladungslampe.
  • Der Wechselrichter W ist über Klemmen w1, w2 an einen Hochsetzsteller H angeschlossen, der seinerseits von einem Wechselspannungsnetz N gespeist wird und der dem Wechselrichter eine Gleichspannung liefert. Zwischen den Klemmen w1, w2 liegt ein sehr groß bemessener Speicherkondensator C6 und die Reihenschaltung der beiden steuerbaren Schalter in Form von TransistorertV1, V2. Parallel zur Schaltstrecke von V1 liegt der Lastkreis, der aus einer Reihenschaltung eines Umschwingkondensators C1, einer Entladungslampe E mit den heizbaren Elektroden e1, e2, einer Drossel L und der Primärwicklung t1 eines Sättigungstransformators T besteht; die Elektroden e1, e2 der Lampe E sind über einen Kondensator C in Reihe geschaltet, wobei dieser Kondenstor C und die Drossel L die Resonanzfrequenz fo bestimmen.
  • Die beiden Transistoren V1, V2 werden durch einen Steuersatz S abwechselnd durchgesteuert, wobei dieser Steuersatz Sekundärwicklungen t2, t3 des Sättigungstransformators enthält, von denen die Steuerspannungen für die Transistoren abgeleitet werden. Die Betriebsfrequenz fB des Wechselrichters ist hier durch die Bemessung des Sättigungstransformators T im Verhältnis zur Bemessung des Wechselrichters und seines Lastkreises bestimmt; sie muß stets oberhalb der Resonanzfrequenz des Lastkreises liegen, damit eine stromlose Phase zwischen Sperren des einen Transistors und Aufsteuern des anderen gewährleistet ist.
  • Der spannungsabhängige Widerstand R1 bildet in Reihe mit einem Kondensator C4 einen Parallelzweig, der die Reihenschaltung aus Drossel L, Sättigungstransformator T und dem zweiten Transistor V2 des Wechselrichters parallel liegt: C4 wird so bei leitendem V2 über C und C1 aus dem Speicherkondensator C6 geladen und auf demselben Wege bei leitendem V1 umgeladen, sobald die Grenzspannung von R1 überschritten ist.
  • An den Kondensator C4 ist die Überwachungseinrichtung zur stromabhängigen Abschaltung des Wechselrichters angeschlossen: Zur Abschaltung dient ein Thyristor V3, der über die Elektrode e1 an Gleichspannung liegt und dem eine weitere Sekundärwicklung t4 des Sättigungstransformators T über eine Diode D3 parallel geschaltet ist. Die Steuerstrecke dieses Thyristors liegt über eine Schaltdiode D2 an einem RC-Glied R3, C5, das über einen Widerstand R2 und eine Diode D1 dem erwähnten Kondensator C4 parallel geschaltet ist. Erreicht somit die Spannung an C5 einen durch D2 bestimmten Grenzwert, dann wird Thyristor V3 leitend und schließt die Wicklung t4 kurz, so daß die Transistoren des Wechselrichters keine Steuerspannungen mehr erhalten. Zugleich wird auch der ebenfalls zu V3 parallel liegende Zündkondensator C3 kurzgeschlossen, dessen Spannung über eine Schaltdiode D4 den Start des Wechselrichters einleitet. Dieser Zustand bleibt bis zur Unterbrechung des Haltestromkreises des Thyristors durch auswechseln der Lampe E.
  • Zur Erläuterung der Wirkung des spannungsabhängigen Widerstandes R, und des Kondensators C4 wird auf fIG 2 Bezug genommen: Dort ist auf der Ordinate die Spannung an der Entladungslampe UE aufgetragen, die zugleich die Spannung an dem Kondensator C des Reihenresonanzkreises ist. Auf der Abszisse ist die Frequenz f dargestellt.
  • Mit KR1 ist zunächst der Spannungsverlauf an der Lampe bzw. an dem Kondensator C bei Zündbetrieb dargestellt, wenn alle Bauelemente die berechneten Werte haben: Der Wechselrichter arbeitet hierbei mit einer Betriebsfrequenz fe, zu der eine Lampenspannung UE1 gehört. Die Resonanzfrequenz sei f01 (bei verlustbehafteten Resonanzkreisen liegt die Resonanzfrequenz jedoch etwas rechts von dem eingezeichneten Wert und nicht im Maximum der Spannung am Kondensator). Diese Resonanzfrequenz ist nun aber infolge der Wirkung von R1 und C4 eine Funktion der Lampenspannung UE, und zwar in der Weise, wie dies die Kurve K2 in FIG 2 wiedergibt. Davon leitet sich die parallel nach rechts verschobene Kurve K1 ab, die die Abhängigkeit der Spannung UE von der Betriebsfrequenz fB zeigt:
    • Würde man z. B. statt der Betriebsfrequenz fS1 die niedrigere fB2 einstellen (die ohne die Erfindung eine entsprechend hohe Lampenspannung zur Folge hätte), so steigt die Lampenspannung entlang der Kurve K1 nur geringfügig auf den Wert UE2, weil sich gleichzeitig die Resonanzfrequenz entlang der Kurve K2 auf den Wert fo2 reduziert und damit Kurve KR2 maßgebend ist.
  • Eine Verschiebung der Betriebsfrequenz in umgekehrter Richtung ist bis zu dem Grenzwert fBG mit zugehöriger Kurve KRG zulässig. Die Bemessung der Bauelemente ist so vorzunehmen, daß die höchste in Betracht kommende Betriebsfrequenz diesen Grenzwert nicht übersteigt, damit ein Arbeitspunkt im stromführenden Bereich der Kennlinie des spannungsabhängigen Widerstandes R1 gewährleistet ist.
  • Nach dem Zünden der Lampe ist ihre Brennspannung UEB praktisch konstant. Im Normalbetrieb des Wechselrichters bei brennender Lampe ist somit der spannungsabhängige Widerstand R1 praktisch stromlos und verursacht keine Verluste.

Claims (5)

1. Wechselrichter zur Speisung einer Entladungslampe (E) mit heizbaren Elektroden und je zwei Anschlüssen je Elektrode
- mit einem Lastkreis, der in Reihenschaltung einen Reihenresonanzkreis (L, C,), einen Umschwingkondensator (C1) und die heizbaren Elektroden (e1, e2) der Entladungslampe (E) enthält, wobei der Kondensator (C) des Reihenresonanzkreises je einen Anschluß der beiden Elektroden (e1, e2) miteinander verbindet,
- mit zwei abwechselnd leitenden, steuerbaren Schaltern (V1, V2,) von denen der eine (V1) parallel zu dem Lastkreis liegt und der andere (V2) zwischen dem Lastkreis und einer Gleichspannungsquelle (H) angeordnet ist,
- mit einem Steuersatz (S) zum abwechselnden Durchsteuern der Schalter (V1, V2) mit einer Betriebsfrequenz (fB), die bei nicht gezündeter Entladungslampe über der Resonanzfrequenz (fo)f des Reihenresonanzkreises liegt,

dadurch gekennzeichnet , daß zum Zwecke der Spannungsbegrenzung ein spannungsabhängiger Widerstand (R1) vorgesehen ist,
- der in Reihe mit einem Kondensator (C4) einen Parallelzweig zu einem Zweig bildet, der die Drossel (L) oder den Kondensator (C) des Reihenresonanzkreises enthält, und dadurch
- die Resonanzfrequenz (fo) des Reihenresonanzkreises (L, C) ändert, wenn der spannungsabhängige Widerstand (R1) in seinem stromführenden Bereich arbeitet.
2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelzweig mit dem spannungsabhängigen Widerstand (R1) und dem Kondensator (C4) der Serienschaltung aus der Drossel (L) des Reihenresonanzkreises und dem zweiten Schalter (V2) des Wechselrichters parallelgeschaltet ist.
3. Wechselrichter nach Anspruch 2, mit einer den Wechselrichter (W) stromabhängig abschaltenden Überwachungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung an dem Kondensator (C4) die Überwachungseinrichtung steuert.
4. Wechselrichter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung, daß der Arbeitspunkt des spannungsabhängigen Widerstandes (R1) bei der höchsten in Betracht kommenden Betriebsfrequenz des Wechselrichters im Zündbetrieb der Entladungslampe stets im stromführenden Bereich und nur bei gezündeter Lampe im stromlosen Bereich der Kennlinie liegt.
5. Wechselrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuersatz (S) einen Sättigungstransformator enthält, von dessen Sekundärwicklungen (t2, t3) die Steuerspannungen für die Schalter (V1, V2) abgeleitet sind und dessen Primärwicklung (t1) im Lastkreis liegt.
EP83112488A 1982-12-15 1983-12-12 Wechselrichter mit einem einen Reihenresonanzkreis und eine Entladungslampe enthaltenden Lastkreis Expired EP0113451B1 (de)

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FI (1) FI77135C (de)
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