EP0529551A1 - Stromversorgungsschaltung mit lastseitiger Blindleistungsminderung - Google Patents

Stromversorgungsschaltung mit lastseitiger Blindleistungsminderung Download PDF

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EP0529551A1
EP0529551A1 EP92114367A EP92114367A EP0529551A1 EP 0529551 A1 EP0529551 A1 EP 0529551A1 EP 92114367 A EP92114367 A EP 92114367A EP 92114367 A EP92114367 A EP 92114367A EP 0529551 A1 EP0529551 A1 EP 0529551A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
power supply
resonance
pulse width
supply circuit
width modulator
Prior art date
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Ceased
Application number
EP92114367A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Backmund
Gottfried Stockinger
Helmut Lösl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Diehl Verwaltungs Stiftung
Original Assignee
Diehl GmbH and Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Diehl GmbH and Co filed Critical Diehl GmbH and Co
Publication of EP0529551A1 publication Critical patent/EP0529551A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • 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
    • H05B41/2988—Arrangements for protecting lamps or circuits against abnormal operating conditions for protecting the lamp against abnormal 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 a power supply circuit for any consumer on a network, in particular lamps such as at least one gas discharge lamp, a pulse width modulator controlling electronic switches of a push-pull oscillator and the clock frequency of the pulse width modulator being adapted to the resonance frequency of a resonance transformer of the push-pull oscillator connected to the gas discharge lamp on the secondary side.
  • lamps such as at least one gas discharge lamp
  • a pulse width modulator controlling electronic switches of a push-pull oscillator and the clock frequency of the pulse width modulator being adapted to the resonance frequency of a resonance transformer of the push-pull oscillator connected to the gas discharge lamp on the secondary side.
  • Such a power supply circuit for a gas discharge lamp is described in DE 40 05 776 A1.
  • the frequency of the current flowing through the lamp is set to the resonance frequency of a resonant circuit of the resonance transmitter by the clock frequency of the pulse width modulator.
  • the resonance frequency is independent of the network.
  • the clock frequency of the pulse width modulator is tuned by means of an adjustable resistor to the resonance frequency of the resonant circuit formed by the secondary winding of the resonance transformer, a capacitor and the lamp.
  • the resonance frequency changes, there is a detuning which questions the achievement of the desired high efficiency.
  • Such a change in the resonance frequency can occur, for example, due to component aging or temperature changes.
  • different gas discharge lamps have different resonance frequencies, so that in DE 40 05 776 A1 an adaptation of the clock frequency of the pulse width modulator to the respective resonance frequency is required in each individual case.
  • the preheating of the electrodes of the gas discharge lamp can be controlled by a transistor of a rectifier bridge.
  • the object of the invention is to improve a circuit arrangement of the type mentioned in particular with regard to the luminous efficacy, light quality, lamp life, noise level and usability.
  • the above object is achieved in a power supply circuit of the type mentioned at the outset in that a control circuit is provided which detects a current and / or voltage value and / or time value which is characteristic of the presence of the resonance and which changes the clock frequency of the pulse width modulator when the resonance frequency changes tracks the changed resonance frequency.
  • the frequency of the lamp operating current is always at the resonance frequency which is also dependent on the lamp. This results in high efficiency.
  • a high luminous efficacy results from the choice of a correspondingly high resonance frequency ( ⁇ 100 kHz).
  • the resonance mode is maintained even if the resonance frequency z. B. changes due to different lamps, or the data of the lamps change in the course of aging. Due to the constant amplitude of the resonant circuit voltage in the resonance case, there is also a good, flicker-free light quality.
  • the current amplitude of the lamp current is regulated so that a constant brightness of the lamp is achieved even with fluctuating input voltage.
  • the lamp can be dimmed by periodically short-circuiting the burning path, the frequency of this short-circuiting being as a rule significantly lower than the resonance frequency.
  • the lamp is always operated with its nominal burning current, which increases its service life.
  • the heating current of the lamp flows when the burning path is short-circuited.
  • the heating current and the burning current can be different according to the connection data of the lamp.
  • the circuit arrangement When the circuit arrangement is made, one voltage is converted into another.
  • the dimensioning is provided in such a way that the transducer used works at approximately one resonance frequency under different loads.
  • the filter is dimensioned for this fixed frequency. Due to the sinusoidal operation, there is only little interference radiation. Furthermore, a high degree of efficiency is achieved and a constant current source is provided without great outlay on circuitry.
  • the control circuit is used to set a desired output current or a desired output voltage, to monitor the input and output voltage and to synchronize the pulse width modulator to the resonant frequency of the oscillator.
  • the pulse width modulator takes on the task of controlling the switches in push-pull mode, so that the resonant circuit oscillates at its resonant frequency. Furthermore, the power section is switched off by the pulse width modulator in stand-by mode and the load fluctuations are corrected like in the case of a power pack.
  • the resonant circuit mentioned generates a sinusoidal resonant circuit voltage.
  • the circuit also serves for the automatic redetermination of a digital control circuit on a push-pull oscillator.
  • the control circuit is tracked according to the invention so that the resonant frequency is always set.
  • the input current is recorded with a suitable current sensor.
  • An evaluation circuit determines the current minimum dependent on the input voltage.
  • the control frequency of the switches is then adjusted via a controller so that the current minimum results.
  • the resonant circuit is thus driven in phase with its resonance frequency. It is irrelevant whether it is a series or parallel resonant circuit and a push-pull or single-ended oscillator.
  • the oscillator If the oscillator is not controlled in the correct phase, it oscillates at its resonance frequency. This creates a distorted waveform that can be used for re-tuning. With a suitable evaluation circuit, the frequency of the pulse width modulator is adjusted so that a so-called symmetrical control of the switches results.
  • the gas discharge lamp With 100% operation by the power supply circuit, the gas discharge lamp is not heated because the cathode temperature is sufficient due to the combustion current. In contrast, heating current flows during dimming. The heating of the gas discharge lamp is at low brightness stronger than at high brightness. The gas discharge lamp is restarted after each switch opening.
  • the circuit arrangement allows the operation of several gas discharge lamps and enables flicker-free operation at a sufficiently high switching frequency, for example 100 Hz.
  • a filter (2) is connected to a DC supply voltage input (1).
  • the DC supply voltage comes, for example, from the network of an aircraft or an electrical train.
  • the DC supply voltage can also be derived from an AC voltage network, for example that of an aircraft, via an AC / DC converter.
  • the filter (2) protects the circuit from interference in the network and reduces conducted interference to the required level of radio interference.
  • the filter (2) is followed by a transformer (3) which has a first winding (4) and a second winding (5).
  • the first winding (4) lies in series at a center tap of a primary winding (6) of an output transformer (7), which is integrated in a push-pull oscillator (8).
  • the second winding (5) of the transformer (3) is connected to the supply voltage as a freewheeling winding via a diode (9).
  • a capacitor (10) is connected in parallel with this.
  • the transformer (3) is intended to ensure a constant current flow into the output transformer (7).
  • the duty cycle of the switches (S1, S2) is reduced, there are periods in which current cannot flow through the output transformer (7). In these periods, the winding (5) acts as a free-running winding. Induction peaks are reduced.
  • the push-pull oscillator (8) works with electronic switches (S1, S2), which are located at one end of the primary winding (6) via diodes (11).
  • a resonant circuit capacitance (12) formed by a capacitor is connected in parallel with the primary winding (6).
  • the electronic switches (S1, S2) are formed, for example, by transistors. It is also possible to connect the resonant circuit capacitor (12) between the ends of the primary winding (6) and to connect the switches (S1, S2) to intermediate taps of the primary winding (6).
  • the electrodes (14, 15) of a lamp (16) are located on a secondary winding (13) of the output transformer (7).
  • This can be, for example, a gas discharge lamp, a halogen lamp or a mercury vapor lamp.
  • a plurality of such lamps can also be connected to the secondary winding (13).
  • Figure 5 shows the series connection of three gas discharge lamps.
  • the switches (S1, S2) are controlled by a pulse width modulator (17), the clock frequency and the duty cycle of which are adjustable.
  • a control circuit (18) is provided for setting the clock frequency and the duty cycle.
  • the aim is that the clock frequency of the pulse width modulator (17) corresponds to the resonance frequency, so that the frequency of the primary-side and the secondary-side current of the output transformer (7) is at the resonance frequency.
  • the frequency is 100 kHz, for example. It is therefore substantially higher than the frequency of an AC network provided for the lamp (16), which has a frequency of 400 Hz, for example in the case of an aircraft.
  • the control circuit (18) detects at an input (19) whether the resonant circuit from the capacitance (12), the primary winding (6) and the inversely transformed load formed by the lamp (16) vibrates in resonance.
  • a control winding (20) is provided on the output transformer (7), on which a corresponding signal form is present in the event of resonance.
  • the control circuit (18) adjusts the clock frequency of the pulse width modulator (17) so that it switches the switches (S1, S2) at a frequency that corresponds to the resonance frequency. This ensures that sinusoidal oscillations with a low harmonic distortion occur in the output transformer (7). This results in low switching losses, low core losses and minimal high-frequency interference.
  • the pulse duty factor of the pulse width modulator (17) can also be adjusted by means of the control circuit (18).
  • the control circuit (18) By setting the pulse duty factor, the output current of the output transformer (7), that is to say the combustion current or the heating current of the gas discharge lamp (16), can be controlled.
  • the control circuit (18) has several further inputs.
  • control circuit (18) monitors the input voltage.
  • the control circuit (18) adjusts the pulse duty factor so that constant brightness is achieved when the input voltage fluctuates.
  • An actuator for example the switch (S3), is connected to a further input (22), with which the brightness of the lamp (16) can be dimmed via the pulse duty factor.
  • Another input (23) of the control circuit (18) is used to switch the lamp (16) on and off.
  • the voltages at the heating electrodes (14, 16) and the lamp current are recorded at further inputs (24, 25, 26).
  • the lamp (16) is switched off when limit values are exceeded or fallen below in the event of a fault.
  • a brightness sensor (27) and / or a temperature sensor (28) can be connected to the control circuit (18).
  • the brightness sensor (27) detects the luminous brightness of the lamp (16) and tracks a desired value via the pulse duty factor of the pulse width modulator (17).
  • the ambient temperature of the lamp (16) is detected by means of the temperature sensor (28). In conjunction with the known temperature response of the luminous efficiency of the lamp (16), the brightness can be kept largely constant regardless of the ambient temperature. At a suitable temperature, the heating current is switched to the combustion current.
  • the transformer (3) forms a freewheel for the induction voltage occurring on the primary winding (6).
  • the transformer (3) also ensures a constant current flow to the output transformer (7).
  • An electronic switch (S3) is located in series with the electrodes (14, 15). This is closed in the usual way for heating the electrodes (14, 15).
  • the switch (S3) is controlled by the control circuit (18). In dimming mode, it is opened and closed periodically, preferably in each case via several sine waves of the push-pull oscillator (8).
  • the control circuit (18), insofar as it controls the switch (S3), is shown in more detail in FIG.
  • the modules (3, 8, 17) are shown as an adjustable constant current source, which they form in principle.
  • the control circuit (18) has a square wave oscillator (29) with a frequency of 100 Hz, for example. This is followed by a monoflop (30), the pulse duration of which can be set by an adjustable resistor (31).
  • the monoflop (30) switches the switch (S3) and the constant current source, specifically the pulse width modulator (17), via an amplifier (32). This means that a heating current that differs from the combustion current can also be set.
  • the lamp (16) is dimmed.
  • This pulse duty factor is independent of the frequency with which the gas discharge lamp (16) is acted upon by the push-pull oscillator (8). It is therefore not absolutely necessary to synchronize the frequency of the oscillator (29) with the frequency of the push-pull oscillator (8). If necessary, the current or voltage zero crossing of the frequency of the push-pull oscillator (8) can be synchronized.
  • the frequency of the oscillator (29) is preferably chosen so that the brightness fluctuations resulting from the actuation of the switch (S3) Eye are not noticed.
  • the exemplary embodiments according to FIGS. 2 and 3 show two possibilities for tuning the clock frequency of the pulse width modulator (17) to the resonance frequency of the resonant circuit.
  • the impedance of the gas discharge lamp (16) transformed from the primary winding (6) into the primary-side resonant circuit and the resonant circuit capacitance (12) is represented by Z.
  • the switches (S1, S2) are driven in phase with the resonance frequency, so that there is no unfavorable switching behavior of the switches (S1, S2), which leads to an increase in the power loss and a non-sinusoidal oscillation Episode.
  • control circuit (18) detects the input current upstream of the transformer (3) and adjusts the clock frequency of the pulse width modulator (17) that switches the switches (S1, S2) so that a local current minimum of the input current results.
  • FIG. 6a shows the undistorted sine wave which results when the switch (S1) (see FIG. 6b) and the switch (S2) (see FIG. 6c) are switched in the correct phase.
  • the undistorted sinusoidal form is based on the fact that the times (T1) according to FIG. 6b are equal to the times (T2) according to FIG. 6c and the times (T3) according to FIG. 6b are also the times (T4) according to FIG. 6c.
  • Figure 7 shows a distorted sine wave. In this the times (T1 and T2) are not the same. The times (T3 and T4) are also not the same.
  • the control circuit (18) according to FIG. 3 takes time measurements and accordingly controls the clock frequency of the pulse width modulator (17) so that a symmetrical control results.
  • the series connection of a plurality of gas discharge lamps is shown. These can be controlled via the secondary winding (13) of the push-pull oscillator (8).
  • the switch (S3) In series with the switch (S3) is a primary winding (32) of a heating transformer (33), the secondary windings (34) of which each heat two interconnected electrodes (14 and 15).
  • the heating power can be obtained from the output transformer (7) or the transformer (3) or the AC / DC converter mentioned above as external heating.
  • the mains voltage is high compared to the internal operating voltage of the electrode, it is advisable to provide an auxiliary supply that is matched to the voltage requirement of the electrode.
  • the energy for the auxiliary supply can be obtained from the output transformer (7) or the transformer (3) or the AC / DC converter mentioned.

Landscapes

  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)
  • Discharge-Lamp Control Circuits And Pulse- Feed Circuits (AREA)

Abstract

Eine Stromversorgungsschaltung für wenigstens einen Verbraucher, beispielsweise Gasentladungslampe (16) an einem Netz, insbesondere Gleichspannungsnetz, weist einen Pulsbreitenmodulator (17) auf, der elektronische Schalter (S1, S2) eines Gegentaktoszillators (8) steuert. Die Taktfrequenz des Pulsbreitenmodulators (17) ist der Resonanzfrequenz eines Resonanzübertragers (7) angepaßt. Zur Verbesserung der Lichtausbeute, der Lichtqualität und der Verwendbarkeit ist eine Steuerschaltung (18) vorgesehen, die einen für das Vorliegen der Resonanz charakteristischen Wert erfaßt und die bei einer Änderung der Resonanzfrequenz die Taktfrequenz des Pulsbreitenmodulators (17) der geänderten Resonanzfrequenz nachführt. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsschaltung für beliebige Verbraucher an einem Netz, insbesondere Lampen wie wenigstens eine Gasentladungslampe, wobei ein Pulsbreitenmodulator elektronische Schalter eines Gegentaktoszillators steuert und die Taktfrequenz des Pulsbreitenmodulators der Resonanzfrequenz eines sekundärseitig an die Gasentladungslampe angeschlossenen Resonanzübertragers des Gegentaktoszillators angepaßt ist.
  • Eine derartige Stromversorgungsschaltung für eine Gasentladungslampe ist in der DE 40 05 776 A1 beschrieben. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, ist die Frequenz des die Lampe durchfließenden Stromes durch die Taktfrequenz des Pulsbreitenmodulators auf die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises des Resonanzübertragers eingestellt. Die Resonanzfrequenz ist dabei unabhängig vom Netz.
  • Die Taktfrequenz des Pulsbreitenmodulators ist zwar mittels eines verstellbaren Widerstandes auf die Resonanzfrequenz des von der sekundärseitigen Wicklung des Resonanzübertragers, einem Kondensator und der Lampe gebildeten Schwingkreises abgestimmt. Ändert sich jedoch die Resonanzfrequenz, dann ergibt sich eine Verstimmung, die das Erreichen des gewünschten hohen Wirkungsgrades in Frage stellt. Eine solche Änderung der Resonanzfrequenz kann beispielsweise durch Bauteilalterung oder Temperaturänderungen eintreten. Außerdem liegen bei Verwendung unterschiedlicher Gasentladungslampen unterschiedliche Resonanzfrequenzen vor, so daß bei der DE 40 05 776 A1 in jedem Einzelfall eine Anpassung der Taktfrequenz des Pulsbreitenmodulators an die jeweilige Resonanzfrequenz erforderlich ist.
  • In der DE 40 05 776 A1 ist vorgeschlagen, zum Dimmen der Gasentladungslampe das Tastverhältnis des Pulsbreitenmodulators entsprechend einzustellen.
  • In der DE 40 05 776 A1 ist durch einen Transistor einer Gleichrichterbrücke die Vorheizung der Elektroden der Gasentladungslampe steuerbar.
  • Schaltungsanordnungen, bei denen die Gasentladungslampe mit der Frequenz eines Wechselstromnetzes betrieben werden, sind in der DE 33 27 189 A1 und in der DE 26 12 918 B2 beschrieben. Dort ist nicht vorgesehen, die Gasentladungslampe an ein Gleichspannungsnetz anzuschließen, oder die Gasentladungslampe mit einer Frequenz zu betreiben, die höher ist als die Frequenz des die Lampe speisenden Wechselstromnetzes.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art insbesondere hinsichtlich der Lichtausbeute, der Lichtqualität, der Lampenlebensdauer, der Störpegel und der Verwendbarkeit zu verbessern.
  • Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bei einer Stromversorgungsschaltung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß eine Steuerschaltung vorgesehen ist, die einen für das Vorliegen der Resonanz charakteristischen Strom- und/oder Spannungswert und/oder Zeitwert erfaßt und die bei einer Änderung der Resonanzfrequenz die Taktfrequenz des Pulsbreitenmodulators der geänderten Resonanzfrequenz nachführt.
  • Dadurch ist erreicht, daß die Frequenz des Lampen-Betriebsstromes immer bei der auch von der Lampe abhängigen Resonanzfrequenz liegt. Dies ergibt einen hohen Wirkungsgrad. Eine hohe Lichtausbeute ergibt sich durch Wahl einer entsprechend hohen Resonanzfrequenz (≧ 100 kHz). Der Resonanzbetrieb bleibt auch erhalten, wenn sich die Resonanzfrequenz z. B. wegen unterschiedlicher Lampen ändert, oder sich die Daten der Lampen im Laufe einer Alterung ändern. Aufgrund der konstanten Amplitude der Schwingkreisspannung im Resonanzfall ergibt sich auch eine gute, flackerfreie Lichtqualität.
  • Durch Einstellen des Tastverhältnisses des Pulsbreitenmodulators wird die Stromamplitude des Lampenstromes so geregelt, daß auch bei schwankender Eingangsspannung eine konstante Helligkeit der Lampe erreicht ist.
  • Ein Dimmen der Lampe kann durch periodisches Kurzschließen der Brennstrecke erfolgen, wobei im Regelfall die Frequenz dieses Kurzschließens wesentlich kleiner ist als die Resonanzfrequenz. Die Lampe wird dabei immer mit ihrem Brenn-Nennstrom betrieben, was ihre Lebensdauer erhöht. Bei kurzgeschlossener Brennstrecke fließt der Heizstrom der Lampe. Der Heizstrom und der Brennstrom können entsprechend den Anschlußdaten der Lampe unterschiedlich sein.
  • Bei der getroffenen Schaltungsanordnung wird eine Spannung in eine andere umgesetzt. Die Dimensionierung ist dabei dergestalt vorgesehen, daß der eingesetzte Wandler bei unterschiedlichen Belastungen auf annähernd einer Resonanzfrequenz arbeitet. Die Filterdimensionierung erfolgt für diese feste Frequenz. Durch den sinusförmigen Betrieb findet eine nur geringe Störabstrahlung statt. Ferner wird ein hoher Wirkungsgrad erzielt und eine Konstantstromquelle ohne großen, schaltungstechnischen Aufwand bereitgestellt.
  • Die Steuerschaltung dient dem Einstellen eines gewünschten Ausgangsstromes bzw. einer gewünschten Ausgangsspannung, der Überwachung der Eingangs- und Ausgangsspannung und der Synchronisation des Pulsbreitenmodulators auf die Resonanzfrequenz des Oszillators. Dabei übernimmt der Pulsbreitenmodulator die Aufgabe, die Schalter im Gegentaktbetrieb zu steuern, so daß der Schwingkreis mit seiner Resonanzfrequenz schwingt. Ferner wird durch den Pulsbreitenmodulator im Stand-By-Betrieb der Leistungsteil abgeschaltet und es werden die Lastschwankungen wie bei einem Netzteil ausgeregelt. Der erwähnte Schwingkreis erzeugt eine sinusförmige Schwingkreisspannung.
  • Die Schaltung dient außerdem zum automatischen Nachbestimmen einer digitalen Ansteuerschaltung an einem Gegentaktoszillator. Die Ansteuerschaltung wird erfindungsgemäß so für die Schalter nachgeführt, daß sich immer die Resonanzfrequenz einstellt. Mit einem geeigneten Stromaufnehmer wird der Eingangsstrom erfaßt. Eine Auswerteschaltung ermittelt das von der Eingangsspannung abhängige Stromminimum. Über einen Regler wird nun die Ansteuerfrequenz der Schalter so nachgeführt, daß sich das Stromminimum ergibt. Damit wird der Schwingkreis phasenrichtig mit seiner Resonanzfrequenz angesteuert. Dabei ist es unbedeutend, ob es sich um einen Serien- oder Parallelschwingkreis und um einen Gegentakt- oder Eintaktoszillator handelt.
  • Bei nicht phasenrichtiger Ansteuerung des Oszillators schwingt dieser auf seiner Resonanzfrequenz. Dadurch wird ein verzerrter Schwingungsverlauf erzeugt, der für die Nachstimmung herangezogen werden kann. Mit einer geeigneten Auswerteschaltung wird die Frequenz des Pulsbreitenmodulators so nachgestellt, daß sich eine sogenannte symmetrische Ansteuerung der Schalter ergibt.
  • Bei einem 100%igen Betrieb durch die Stromversorgungsschaltung wird die Gasentladungslampe nicht beheizt, da sich durch den Brennstrom eine ausreichende Kathodentemperatur einstellt. Beim Dimmbetrieb dagegen fließt ein Heizstrom. Die Heizung der Gasentladungslampe ist bei geringer Helligkeit stärker als bei großer Helligkeit. Die Gasentladungslampe wird nach jeder Schalteröffnung neu gestartet. Die Schaltungsanordnung erlaubt den Betrieb mehrerer Gasentladungslampen und ermöglicht einen flackerfreien Betrieb bei genügend hoher Schaltfrequenz, beispielsweise 100 Hz.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:
    • Figur 1
    ein Blockschaltbild einer Stromversorgungsschaltung bzw. eines Vorschaltgerätes einer Gasentladungslampe,
    Figur 2
    eine Alternative zur Frequenzabstimmung,
    Figur 3
    eine weitere Alternative zur Frequenzabstimmung,
    Figur 4
    ein Blockschaltbild einer Helligkeitssteuerung zu Figur 1,
    Figur 5
    Die Schaltung mehrerer Gasentladungslampen bei einem Vorschaltgerät nach Figur 1 und
    Figuren 6 und 7
    Schaltdiagramme für die Schaltung nach Figur 3.
  • An einen Speisegleichspannungseingang (1) ist ein Filter (2) angeschlossen. Die Speisegleichspannung stammt beispielsweise aus dem Netz eines Luftfahrzeuges oder einer elektrischen Bahn. Die Speisegleichspannung kann auch über einen AC/DC-Wandler von einem Wechselspannungsnetz, beispielsweise dem eines Luftfahrzeuges, abgeleitet sein.
  • Das Filter (2) schützt die Schaltung vor Störungen des Netzes und reduziert geleitete Störaussendung auf den geforderten Funkentstörgrad. Dem Filter (2) ist ein Transformator (3) nachgeschaltet, der eine erste Wicklung (4) und eine zweite Wicklung (5) aufweist. Die erste Wicklung (4) liegt in Reihe an einem Mittelabgriff einer Primärwicklung (6) eines Ausgangsübertragers (7), der in einen Gegentaktoszillator (8) integriert ist.
  • Die zweite Wicklung (5) des Transformators (3) ist als Freilaufwicklung über eine Diode (9) an die Versorgungsspannung geschaltet. Parallel hierzu ist ein Kondensator (10) geschaltet. Der Transformator (3) soll einen konstanten Stromfluß in den Ausgangsübertrager (7) gewährleisten. Bei Reduzierung des Tastverhältnisses der Schalter (S1, S2) kommt es zu Zeitspannen, in denen kein Stromfluß durch den Ausgangsübertrager (7) möglich ist. In diesen Zeitspannen wirkt die Wicklung (5) als Freilaufwicklung. Dabei werden Induktionsspitzen abgebaut.
  • Der Gegentaktoszillator (8) arbeitet mit elektronischen Schaltern (S1, S2), die über Dioden (11) jeweils am einen Ende der Primärwicklung (6) liegen. Parallel zur Primärwicklung (6) ist eine von einem Kondensator gebildete Schwingkreiskapazität (12) geschaltet. Die elektronischen Schalter (S1, S2) sind beispielsweise von Transistoren gebildet. Es ist auch möglich, den Schwingkreiskondensator (12) zwischen die Enden der Primärwicklung (6) zu schalten und die Schalter (S1, S2) an Zwischenabgriffen der Primärwicklung (6) anzuschließen.
  • An einer Sekundärwicklung (13) des Ausgangsübertragers (7) liegen die Elektroden (14, 15) einer Lampe (16). Diese kann beispielsweise eine Gasentladungslampe, eine Halogenlampe oder eine Quecksilberdampflampe sein. An der Sekundärwicklung (13) können auch mehrere derartige Lampen angeschlossen sein. Figur 5 zeigt die Reihenschaltung von drei Gasentladungslampen.
  • Die Schalter (S1, S2) werden von einem Pulsbreitenmodulator (17) gesteuert, dessen Taktfrequenz und dessen Tastverhältnis einstellbar sind. Zur Einstellung der Taktfrequenz und des Tastverhältnisses ist eine Steuerschaltung (18) vorgesehen.
  • Im Gegentaktoszillator (8) bildet die primärseitige Schwingkreiskapazität (12), die Primärwicklung (6) und der in den Primärkreis rückwirkende komplexe Widerstand der Lampe (16) einen Resonanzkreis, dessen Resonanzfrequenz auch von der jeweiligen Gasentladungslampe (16) bzw. deren Zustand abhängt. Es ist angestrebt, daß die Taktfrequenz des Pulsbreitenmodulators (17) der Resonanzfrequenz entspricht, so daß die Frequenz des primärseitigen und des sekundärseitigen Stromes des Ausgangsübertragers (7) auf der Resonanzfrequenz liegt. Die Frequenz liegt beispielsweise bei 100 kHz. Sie liegt also wesentlich höher als die Frequenz eines für die Lampe (16) vorgesehenen Wechselstromnetzes, das beispielsweise im Falle eines Luftfahrzeuges eine Frequenz von 400 Hz hat.
  • Die Steuerschaltung (18) erfaßt an einem Eingang (19), ob der Schwingkreis aus der Kapazität (12), der Primärwicklung (6) und der rücktransformierten, von der Lampe (16) gebildeten Last in Resonanz schwingt. Es ist hierfür nach Figur 1 am Ausgangsübertrager (7) eine Steuerwicklung (20) vorgesehen, an der im Resonanzfall eine entsprechende Signalform anliegt.
  • Die Steuerschaltung (18) steuert die Taktfrequenz des Pulsbreitenmodulators (17) so nach, daß dieser die Schalter (S1, S2) mit einer Frequenz schaltet, die der Resonanzfrequenz entspricht. Dadurch ist gewährleistet, daß sich im Ausgangsübertrager (7) Sinusschwingungen mit geringem Klirrfaktor einstellen. Dabei ergeben sich geringe Schaltverluste, geringe Kernverluste und minimale hochfrequente Störungen.
  • Mittels der Steuerschaltung (18) ist auch das Tastverhältnis des Pulsbreitenmodulators (17) einstellbar. Durch die Einstellung des Tastverhältnisses läßt sich der Ausgangsstrom des Ausgangsübertragers (7) also der Brennstrom bzw. der Heizstrom der Gasentladungslampe (16) steuern. Hierfür weist die Steuerschaltung (18) mehrere weitere Eingänge auf.
  • Beim Eingang (21) überwacht die Steuerschaltung (18) die Eingangsspannung. Die Steuerschaltung (18) stellt bei schwankender Eingangsspannung das Tastverhältnis so nach, daß konstante Helligkeit erreicht wird.
  • An einem weiteren Eingang (22) ist ein Stellglied, beispielsweise der Schalter (S3) angeschlossen, mit dem sich über das Tastverhältnis die Helligkeit der Lampe (16) dimmen läßt.
  • Ein weiterer Eingang (23) der Steuerschaltung (18) dient dem Ein- bzw. Ausschalten der Lampe (16).
  • An weiteren Eingängen (24, 25, 26) werden die Spannungen an den Heizelektroden (14, 16) bzw. der Lampenstrom erfaßt. Bei dem Überschreiten oder Unterschreiten von Grenzwerten in Störungsfällen wird die Lampe (16) abgeschaltet.
  • An die Steuerschaltung (18) können ein Helligkeitssensor (27) und/oder ein Temperatursensor (28) angeschlossen werden. Mit dem Helligkeitssensor (27) wird die Leuchthelligkeit der Lampe (16) erfaßt und über das Tastverhältnis des Pulsbreitenmodulators (17) einem Sollwert nachgeführt. Mittels des Temperatursensors (28) wird die Umgebungstemperatur der Lampe (16) erfaßt. In Verbindung mit dem bekannten Temperaturgang der Lichtausbeute der Lampe (16) läßt sich die Helligkeit unabhängig von der Umgebungstemperatur weitgehend konstant halten. Bei geeigneter Temperatur wird vom Heizstrom auf den Brennstrom umgeschaltet.
  • Im durch die Steuerschaltung (18) gesteuerten Betrieb des Pulsbreitenmodulators (17) liegt entsprechend dem Tastverhältnis ein "lückender Betrieb" vor. Dabei bildet der Transformator (3) einen Freilauf für die an der Primärwicklung (6) auftretende Induktionsspannung. Der Transformator (3) stellt auch einen konstanten Stromfluß zum Ausgangsübertrager (7) sicher.
  • In Reihe zu den Elektroden (14, 15) liegt ein elektronischer Schalter (S3). Dieser ist in üblicher Weise zum Heizen der Elektroden (14, 15) geschlossen. Der Schalter (S3) ist von der Steuerschaltung (18) gesteuert. Im Dimmbetrieb wird er periodisch geöffnet und geschlossen, vorzugsweise jeweils über mehrere Sinuswellen des Gegentaktoszillators (8).
  • In Figur 4 ist die Steuerschaltung (18), soweit sie den Schalter (S3) steuert, näher dargestellt. Die Baugruppen (3, 8, 17) sind als einstellbare Konstantstromquelle dargestellt, welche sie im Prinzip bilden. Die Steuerschaltung (18) weist einen Rechteckoszillator (29) mit einer Frequenz von beispielsweise 100 Hz auf. Diesem ist ein Monoflop (30) nachgeschaltet, dessen Impulsdauer durch einen einstellbaren Widerstand (31) einstellbar ist. Über einen Verstärker (32) schaltet das Monoflop (30) den Schalter (S3) und die Konstantstromquelle, speziell den Pulsbreitenmodulator (17). Dadurch läßt sich auch ein vom Brennstrom verschiedener Heizstrom einstellen. In Abhängigkeit vom Tastverhältnis des Monoflops (30) wird die Lampe (16) gedimmt. Dieses Tastverhältnis ist unabhängig von der Frequenz, mit der die Gasentladungslampe (16) vom Gegentaktoszillator (8) beaufschlagt wird. Es ist also keine Synchronisation der Frequenz des Oszillators (29) auf die Frequenz des Gegentaktoszillators (8) zwinglich nötig. Im Bedarfsfall kann eine Synchronisation auf den Strom- oder Spannungsnulldurchgang der Frequenz des Gegentaktoszillators (8) erfolgen. Die Frequenz des Oszillators (29) wird vorzugsweise so gewählt, daß die aus dem Betätigen des Schalters (S3) resultierenden Helligkeitsschwankungen vom Auge nicht wahrgenommen werden. Die über der sichtbaren Grenze liegende Frequenz des Oszillators (29), beispielsweise 100 Hz, gewährleistet einen flackerfreien Betrieb auch beim Dimmen.
  • Beim Dimmen fließt - während kein Brennstrom über die Gasentladungsstrecke fließt - ein Heizstrom. Dessen wirksamer Wert ist dabei umso größer, je stärker gedimmt wird. Nach jedem Öffnen des Schalters (S3) wird die Lampe (16) neu gezündet.
  • Die Ausführungsbeispiele nach den Figuren 2 und 3 zeigen zwei Möglichkeiten für die Abstimmung der Taktfrequenz des Pulsbreitenmodulators (17) auf die Resonanzfrequenz des Schwingkreises. Bei den Figuren 2 und 3 ist die aus der Primärwicklung (6) in den primärseitigen Schwingkreis und die Schwingkreiskapazität (12) transformierte Impedanz der Gasentladungslampe (16) mit Z dargestellt. Bei beiden Ausführungsbeispielen ist sichergestellt, daß die Schalter (S1, S2) phasenrichtig zu der Resonanzfrequenz angesteuert werden, so daß es nicht zu einem ungünstigen Schaltverhalten der Schalter (S1, S2) kommen kann, welches einen Anstieg der Verlustleistung und eine nicht sinusförmige Schwingung zur Folge hätte.
  • Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 erfaßt die Steuerschaltung (18) den Eingangsstrom vor dem Transformator (3) und steuert die Taktfrequenz des die Schalter (S1, S2) schaltenden Pulsbreitenmodulators (17) so nach, daß sich ein lokales Stromminimum des Eingangsstromes ergibt.
  • Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist ausgenutzt, daß sich bei nicht phasenrichtiger Ansteuerung des Gegentaktoszillators (8) eine verzerrte Schwingungsform ergibt. In Figur 6a ist die unverzerrte Sinusschwingung dargestellt, die sich ergibt, wenn der Schalter (S1) (vgl. Figur 6b) und der Schalter (S2) (vgl. Figur 6c) phasenrichtig geschalten werden. Die unverzerrte Sinusform beruht darauf, daß die Zeiten (T1) nach Figur 6b gleich den Zeiten (T2) nach Figur 6c sind und auch die Zeiten (T3) nach Figur 6b gleich den Zeiten (T4) nach Figur 6c sind. Figur 7 zeigt einen verzerrten Sinusverlauf. In diesem sind die Zeiten (T1 und T2) nicht gleich. Ebensowenig sind die Zeiten (T3 und T4) gleich. Um gleiche Zeiten (T1, T2 bzw. T3, T4) zu erreichen, nimmt die Steuerschaltung (18) nach Figur 3 Zeitmessungen vor und steuert dementsprechend die Taktfrequenz des Pulsbreitenmodulators (17) so, daß sich eine symmetrische Ansteuerung ergibt.
  • Im Ausführungsbeispiel nach Figur 5 ist die Reihenschaltung mehrerer Gasentladungslampen dargestellt. Diese sind über die Sekundärwicklung (13) des Gegentaktoszillators (8) ansteuerbar. In Reihe zum Schalter (S3) liegt eine Primärwicklung (32) eines Heiztransformators (33), dessen Sekundärwicklungen (34) jeweils zwei zusammengeschaltete Elektroden (14 bzw. 15) beheizen.
  • Als Fremdheizung kann bei Lampen, deren Elektroden dauernd beheizt werden müssen, die Heizleistung aus dem Ausgangsübertrager (7) oder dem Transformator (3) oder dem obengenannten AC/DC-Wandler bezogen werden.
  • Bei im Vergleich zur internen Betriebsspannung der Elektrode hohen Netzspannungen empfiehlt es sich, eine Hilfsversorgung vorzusehen, die auf den Spannungsbedarf der Elektrode abgestimmt ist. Die Energie für die Hilfsversorgung kann aus dem Ausgangsübertrager (7) oder dem Transformator (3) oder dem genannten AC/DC-Wandler bezogen werden.

Claims (12)

  1. Stromversorgungsschaltung für beliebige Verbraucher an einem Netz, insbesondere Lampen wie wenigstens eine Gasentladungslampe oder Glühlampe oder Blitzlampe, wobei ein Pulsbreitenmodulator elektronische Schalter eines Gegentaktoszillators steuert und die Taktfrequenz des Pulsbreitenmodulators der Resonanzfrequenz eines sekundärseitigen, an die Gasentladungslampe angeschlossenen Resonanzübertragers des Gegentaktoszillators angepaßt ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine Steuerschaltung (18) vorgesehen ist, die einen für das Vorliegen der Resonanz charakteristischen Strom- und/oder Spannungs- und/oder Zeitwert erfaßt und die bei einer Änderung der Resonanzfrequenz die Taktfrequenz des Pulsbreitenmodulators (17) der geänderten Resonanzfrequenz nachführt.
  2. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Steuerschaltung (18) zur Nachführung der Taktfrequenz des Pulsbreitenmodulators (17) über eine Steuerwicklung (20) des Primärkreises (6, 12) des Resonanz- bzw. Ausgangsübertragers (7) Abweichungen von der Resonanzspannungsform erfaßt.
  3. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Steuerschaltung (18) zur Nachführung der Taktfrequenz des Pulsbreitenmodulators (17) den Eingangsstrom der Stromversorgungsschaltung erfaßt. (Figur 2).
  4. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Steuerschaltung (18) zur Nachführung der Taktfrequenz des Pulsbreitenmodulators (17) zu Verzerrungen der Sinusschwingungen der Resonanzfrequenz führende Zeiten erfaßt. (Figuren 3, 6, 7).
  5. Stromversorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Schwingkreiskapazität (12) des Resonanz- bzw. Ausgangsübertragers (7) in dessen Primärkreis (6, 12, Z) angeordnet ist.
  6. Stromversorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Steuerschaltung (18) auch das Tastverhältnis des Pulsbreitenmodulators (17) steuert.
  7. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Steuerschaltung (18) das Tastverhältnis des Pulsbreitenmodulators (17) in Abhängigkeit von der schwankenden Eingangsspannung und/oder zum Erzeugen unterschiedlicher Ausgangsströme steuert.
  8. Stromversorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Steuerschaltung (18) einen Schalter (S3) steuert, mit dem die Elektroden (14, 15) der Gasentladungslampe (16) zwischen Heizstrom und Brennstrom umschaltbar sind.
  9. Stromversorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß dem Resonanz- bzw. Ausgangsübertrager (7) primärseitig ein Transformator (3) vorgeschaltet ist.
  10. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine erste Wicklung (4) des Transformators (3) in Reihe zur Primärwicklung (6) des Resonanz- bzw. Ausgangsübertragers (7) liegt und eine zweite Wicklung (5) mit einer Diode (9) als Freilaufwicklung an die Versorgungsspannung geschaltet ist.
  11. Stromversorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß parallel zur Sekundärwicklung (13) des Resonanz- bzw. Ausgangsübertragers (7) die Reihenschaltung mehrerer Gasentladungslampen (16) liegt, deren Elektroden (14, 15) ein Heiztransformator (33) oder mehrere Heiztransformatoren zugeordnet ist bzw. sind.
  12. Stromversorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Primärwicklung (22) bzw. die Primärwicklungen des Heiztransformators (33) bzw. der Heiztransformatoren in Reihe zu dem Schalter (S3) liegt bzw. liegen.
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