EP1020100B1 - Versorgungsschaltung für eine leuchtröhrenanlage - Google Patents

Versorgungsschaltung für eine leuchtröhrenanlage Download PDF

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EP1020100B1 EP98946202A EP98946202A EP1020100B1 EP 1020100 B1 EP1020100 B1 EP 1020100B1 EP 98946202 A EP98946202 A EP 98946202A EP 98946202 A EP98946202 A EP 98946202A EP 1020100 B1 EP1020100 B1 EP 1020100B1
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    • Y10S315/00—Electric lamp and discharge devices: systems
    • Y10S315/07—Starting and control circuits for gas discharge lamp using transistors

Definitions

  • the neon systems divided into different performance classes and both in terms of voltage level as well as Currents in the neon circle.
  • the invention has for its object a supply circuit for a fluorescent tube system with a high-voltage transformer specify in the lower frequency range which simple and inexpensive and structurally smaller than usual today network-frequency systems must be set up and through which also mentioned variety of transformers can be reduced.
  • the circuit according to the invention is accordingly characterized in that the Supply voltage one from a sinusoidally modulated square wave voltage by filtering AC voltage obtained with a frequency of 300 - 800 Hz is that at the Transformer a fluorescent tube can be connected, and that the transformer is designed is that the supply voltage to a high voltage in the range of 750 V - 15000 V stepped up.
  • the inverter WR is further designed so that the width or duration of the square wave signals is variable. This could e.g. by means of one equipped with transistors Bridge inverter circuit can be achieved. About the Controlling the width of the square wave signals can flow in the circuit can be regulated.
  • the electronic control EST is with a current measurement signal MI fogged up, which is preferably measured on the primary side becomes. Of course, it could also be determined on the secondary side.
  • the electronic regulation EST From the measurement signal MI, the electronic regulation EST generates a control signal S1 for the inverter WR.
  • the control signal S1 determines under among other things, the aforementioned width of the inverter WR Square-wave signals and thus the current flow in the circuit.
  • the EST scheme is advantageous with at least one other Provide input for a control signal S2, which e.g. of Protective devices for the detection of fault conditions such as Open circuit, short circuit, and / or earth fault can originate.
  • a control signal S2 which e.g. of Protective devices for the detection of fault conditions such as Open circuit, short circuit, and / or earth fault can originate.
  • one or more could also be on the control Outputs are provided, at which one for the operating state representative information signal IS is available.
  • the electronic regulation as a whole, as well as the aforementioned inputs and Outputs can be analog or digital.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Versorgungsschaltung für eine Leuchtröhrenanlage mit einem Hochspannungstransformator gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Für den Betrieb von Hochspannungsleuchtröhren, insbesondere solchen für Leuchtschriften oder Signalanlagen, werden besondere Transformatoren - sogenannte Neontransformatoren - verwendet. Damit sie einerseits die erforderliche Hochspannung zur Zündung der Leuchtröhren erzeugen, anderserseits aber auch die für deren Dauerbetrieb erforderliche Brennspannung abgeben können, sind sie als Streufeldtransformatoren, d.h. mit Luftspalt, ausgebildet.
Bezüglich der Betriebsfrequenz unterscheidet man Niedrigfrequenzanlagen, die direkt mit der üblichen Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz des elektrischen Wechselspannungsnetzes arbeiten, und Hochfrequenzanlagen für Frequenzen ab etwa 12'000 Hz aufwärts.
Da die Grösse induktiver Teile mit der Frequenz abnimmt, können Hochfrequenzanlagen hinsichtlich des Transformators wesentlich kompakter und leichter als Niedrigfrequenzanlagen aufgebaut werden. Bei den Hochfrequenzanlagen ergeben sich allerdings EMV-Probleme (EMV steht für elektro-magnetische Verträglichkeit), indem die Leuchtröhren unvermeidbar als Antennen wirken. Nach den geltenden Vorschriften begrenzt dies nachhaltig die installierbare Leistung. Auch hinsichtlich der Anschlussdrähte ergeben sich Einschränkungen. Wegen der EMV-Problematik müssen diese abgeschirmt ausgeführt sein. Der daraus resultierende Wellenwiderstand begrenzt die Leitungslänge auf ca. 10 m. Bei gewissen Leitungslängen ergeben sich zusätzlich Probleme durch stehende Wellen.
Dass im Niedrigfrequenzbereich oberhalb der Netzfrequenz bis hin zu den erwähnten hohen Frequenzen keine Lösungen existieren hat verschiedene Gründe und liegt unter anderem daran, dass hier die Verluste am Luftspalt des Transformators sowie materialbedingt mit der Frequenz stark zunehmen. Die Materialprobleme werden insbesondere ab etwa 800 Hz kritisch. Mit zunehmender Frequenz wird aus dem bei Streufeldtransformatoren auftretenden Brummen zunehmend auch ein Pfeifen. Im Bereich von 1000 Hz ist dieses Pfeifen besonders störend, weil ein 1000 Hz-Ton einerseits als unangenehm empfunden und andererseits die Empfindlichkeit des menschlichen Ohres im Bereich dieser Frequenz am grössten ist.
Entsprechend den sich in der Praxis ergebenden Anforderungen (vor allem an Leuchtleistung und Länge der Leuchtröhren) sind die Neonanlagen in verschiedene Leistungsklassen unterteilt und zwar sowohl hinsichtlich des Spannungsniveaus als auch der Ströme im Neonkreis. Insgesamt sind derzeit 72 Leistungsklassen normiert mit zwölf unterschiedlichen Spannungen zwischen 750 V und 15'000 V und jeweils acht zugehörigen Strömen. Für jede Spannung und jeden Strom wird dabei ein spezieller Transformator eingesetzt, der in bezug auf Baugrösse, Gewicht sowie die eingesetzten Materialien optimiert ist.
Bei älteren Transformatormodellen war zum Teil am Luftspalt noch eine Luftspaltregelung vorgesehen, so dass der Transformator an unterschiedliche Stromniveaus angepasst werden konnte. Derartige Transformatoren waren im Vergleich mit den heutigen Typen jedoch wesentlich grösser und schwerer und konnten sich auch aus preislichen Gründen gegen die nicht einstellbaren Ausführungen nicht durchsetzen.
Aus der WO96/31095 sind Versorgungsschaltungen für Leuchtröhrenanlagen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, wobei der Transformator primärseitig mit einer gepulsten Gleichspannung beaufschlagt wird. Deren Pulsfreuqenz wird bestimmt durch den Oszillator eines Pulsbreitenmodulators, für welchen als Beispiel der auf dem Markt erhältliche integrierte Schaltkreis "Silicon General SG 3526" angegeben ist. Nach den Herstellerangaben ist die Frequenz des Oszillators zwischen 1 Hz und 350 kHz einstellbar. Sekundärseitig sind dem Transformator Einheiten nachgeordnet, in welchen Gleichspannungspulse geformt werden. Mit diesen Gleichspannungspulsen werden dann die Leuchtröhren beaufschlagt.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Versorgungsschaltung für eine Leuchtröhrenanlage mit einem Hochspannungstransformator im unteren Frequenzbereich anzugeben, welche einfach und kostengünstig und baulich kleiner als heute übliche netzfrequente Anlagen aufzubauen ist und durch welche auch die erwähnte Typenvielfalt an Transformatoren reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgmäss gelöst durch eine Versorgungsschaltung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Die erfindungsgemässe Schaltung ist demnach dadurch gekennzeichnet, dass die Speisespannung eine aus einer sinusförmig modulierten Rechteckspannung durch Filtern gewonnene Wechselspannung mit einer Frequenz von 300 - 800 Hz ist, dass an den Transformator eine Leuchtröhre anschliessbar ist, und dass der Transformator so ausgelegt ist, dass er die Speisespannung auf eine Hochspannung im Bereich von 750 V - 15000 V hochtransformiert.
Durch die gegenüber der Netzfrequenz erhöhte Frequenz der Speisespannung zwischen 300 und 800 Hz, vorzugsweise jedoch 400 Hz, lassen sich Baugrösse und Gewicht des Transformators erheblich reduzieren.
Die durch die Frequenzerhöhung an sich zu erwartende Zunahme der Verluste am Transformator wird durch die Verwendung eines luftspaltfreien Transformators verbunden mit der elektronischen Nachbildung der strombegrenzenden Funktion eines Luftspaltes vermieden.
Durch die Wahl der Frequenz im angegeben Bereich, insbesondere bei Verwendung einer Frequenz von 400 Hz, werden zudem die erwähnten, ab 800 Hz nachhaltig auftretenden Materialprobleme vermieden.
Durch die elektronische Strombegrenzung bzw. eigentlich Stromregelung kann mit besonderem Vorteil auch die derzeitige Typenvielfalt von Neontransformatoren wesentlich reduziert werden.
Für die bevorzugte Frequenz von 400 Hz spricht, dass geeignete Bauteile im Flugzeugbau an sich bekannt sind und von dort mehr oder weniger übernommen werden können.
Ein weiterer Verteil der Verwendung eines luftspaltfreien Transformators ist schliesslich darin zu sehen, dass luftspaltfreie Transformatoren brummfrei sind.
Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen angegeben.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1
ein generelles Schaltschema einer erfindungsgemässen Versorgungsschaltung mit einem Gleichrichter, einem Wechselrichter und einer elektronischen Regelung;
Fig. 2
eine Ausführungsform der elektronischen Regelung; und
Fig. 3
in einem Diagramm das von dem Wechselrichter bevorzugt erzeugte Spannungspulsmuster.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In Fig. 1 sind mit Ph, N und E Klemmen zum Anschluss an die Phase, den Nulleiter und die Schutzerde eines elektrischen 50/60 Hz Wechselspannungsnetzes von z.B. 220/230 V Spannung bezeichnet.
An die Klemmen Ph und N ist eine Gleichrichterschaltung GR angeschlossen, die bei anliegender Wechselspannung eine Gleichspannung erzeugt. Die Gleichrichterschaltung GR könnte z.B. als ungesteuerte Brückenschaltung mit vier Dioden ausgeführt sein.
In dem nachfolgenden Wechselrichter WR wird aus der Gleichspannung wieder eine Wechselspannung erzeugt, welche allerdings eine Rechteckspannung bzw. eine Folge von Rechtecksignalen ist und welche, ggf. nach zusätzlicher Filterung, als Speisespannung für den nachgeschalteten Transformator T dient. Für die Frequenz der Speisespannung wird im folgenden 400 Hz angenommen.
Der Wechselrichter WR ist weiter so ausgebildet, dass die Breite bzw. Dauer der Rechtecksignale variierbar ist. Dies könnte z.B. mittels einer mit Transistoren bestückten Brückenwechselrichterschaltung erreicht werden. Über die Steuerung der Breite der Rechtecksignale kann der Stromfluss in der Schaltung geregelt werden.
Zwischen den Gleichrichter GR und den Wechselrichter WR sowie zwischen letzteren und die Primärwicklung des Transformators T ist vorzugsweise jeweils auch noch ein Filter F1 bzw. F2 zur Glättung bzw. Reduktion von Oberwellen geschaltet. Das Filter F2 bildet mit Vorteil mit der Primärwicklung des Transformators T auch einen Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz auf die Frequenz der Speisespannung abgestimmt ist.
An die Sekundär- oder Hochspannungswicklung des Transformators T ist eine Leuchtröhre L angeschlossen oder anschliessbar, welche jedoch selbst nicht Teil der Versorgungsschaltung ist. Aus Sicherheitsgründen ist die Hochspannungswicklung des Transformators W mit einer Mittelpunktserdung versehen.
Der Transformator T ist mit einem Kern ohne Luftspalt versehen. Um zu verhindern, dass es dadurch im Moment des Zündens der angeschlossenen Leuchtröhre L zu einer kurzschlussähnlichen Situation kommt, ist eine elektronische Regelung EST vorgesehen, welche unter Einwirkung auf den Wechselrichter den Strom I in der Schaltung begrenzt und so die strombegrenzende Funktion des Luftspaltes von Streufeldtransformatoren quasi nachbildet.
Die elektronische Regelung EST ist mit einem Strom-Messsignal MI beschlaufschlagt, welches vorzugsweise primärseitig gemessen wird. Natürlich könnte es auch sekundärseitig ermittelt werden.
Wegen des dort wesentlich höheren Spannungsniveaus ist die primärseitige Ableitung allerdings bevorzugt. Aus dem Messsignal MI erzeugt die elektronische Regelung EST ein Steuersignal S1 für den Wechselrichter WR. Das Steuersiganal S1 bestimmt unter anderem am Wechselrichter WR die erwähnte Breite der Rechtecksignale und damit den Stromfluss in der Schaltung.
Der Transformator T ist so ausgelegt, dass er die vom Wechselrichter WR erzeugte Speisespannung von z.B. 220/230 V auf eine bestimmte Hochspannung im Bereich von 750 V - 15000 V hochtransformiert. Wegen der höheren Frequenz kann der Transformator T im Vergleich mit einem für Netzfrequenz ausgebildeten kleiner und leichter ausgebildet sein. Bei 400 Hz macht das annähernd einen Faktor 2 aus.
Die Regelung EST ist weiter so ausgebildet, dass an ihr, unabhängig bzw. zusätzlich zu der vorbeschriebenen Stromregelung, das Stromniveau stufenweise, z.B. von Hand über einen Drehschalter, verstellt werden kann und zwar derart, dass sich für die jeweilige Hochspannung, die der Transformator T liefert, im Hochspannungskreis gerade die derzeit acht zugehörigen Stromstärken ergeben. Bei einer Hochspannung von 1000 V wären das nach den derzeitigen Vorschriften 18 mA, 25 mA 30 mA, 37 mA, 50 mA, 60 mA, 100 mA und 200 mA. Durch den regelbaren Strom wird die Typenvielfalt von Transformatoren wesentlich reduziert.
Die Regelung EST ist mit Vorteil mit mindestens einem weiteren Eingang für ein Steuersignal S2 versehen, welches z.B. von Schutzvorrichtungen zur Erkennung von Fehlerzuständen wie Leerlauf, Kurzschluss, und/oder Erdschluss stammen kann. Zusätzlich könnten an der Steuerung auch noch ein oder mehrere Ausgänge vorgesehen sein, an welchen ein für den Betriebszustand repräsentatives Informationssignal IS zur Verfügung steht. Die elektronische Regelung als Ganzes sowie die genannten Ein- und Ausgänge können analog oder auch digital ausgeführt sein.
Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausführungsform für die elektronische Regelung EST, wobei angenommen wird, dass der Wechselrichter WR mittels einer mit Transistoren bestückten Brückenwechselrichterschaltung aufgebaut ist.
Die elektronische Regelung EST umfasst einen Komparator K, einen Sinusgenerator G, einen Zweipunktregler ZPR und einen Totzeitgenerator TG. Dem Komparator K wird einerseits das bereits erwähnte Strom-Messignal MI und anderseits ein von dem Sinus-Generator SG erzeugtes Vergleichssignal VS zugeführt. Die Amplitude des des Vergleichssignals lässt sich als Strom-Sollwert SS am Sinusgenerator SG einstellen und zwar vorzugsweise stufenweise, entsprechend den oben erwähnten genormten Stromniveaus.
Der Ausgang ΔI des Komparators K beaufschlagt den Zweipunktregler ZPR, dessen Ausgangssignal über den Totzeitgenerator TG das bereits erwähnte Steuersignal S1 für den Wechselrichter WR bildet. Der Zweipunktregler ZPR schaltet den Wechselrichter WR innerhalb einer vorgegebenen Toleranzbreite z.B. auf den positiven Ausgang, wenn das dem Istwert entsprechende Messsignal IM kleiner als das dem Sollwert SS entsprechende Vergleichssignal VS ist und auf den negativen Ausgang, wenn das dem Istwert entsprechende Messsignal IM grösser als das dem Sollwert SS entsprechende Vergleichssignal VS ist. Der Totzeitgenerator TG stellt lediglich sicher, dass stets nur die zusammengehörigen Paare von Transistoren im Wechselrichter WR gleichzeitig angesteuert und damit Kurzschlüsse im Wechselrichter vermieden werden.
Fig. 3 zeigt noch das von dem Wechselrichter WR in Reaktion auf das Steuersignal S1 bevorzugt erzeugte Spannungspulsmuster. Dieses weist nicht unmittelbar die gewünschte Frequenz der Speisespannung von z.B. 400 Hz auf sondern eine wesentlich höhere Grundfrequenz von z.B. 10000 Hz. Die Frequenz der zu erzeugenden Speisespannung ist der Hochfrequenz jedoch überlagert und lässt sich durch Mittelung aus dieser gewinnen. Die entsprechende Mittelung erfolgt z.B. mittels des oben erwähnten und in Fig. 1 dargestellten Filters F2. Sie ist eine Kurzzeitmittelung, da das Langzeitmittel über das dargestellte Spannungspuslmuster verschwinden muss, ansonsten ein Gleichstrom im Primärkreis des Transformators T fliessen würde.

Claims (9)

  1. Versorgungsschaltung für eine Leuchtröhrenanlage mit einem Hochspannungstransformator (T), welcher primärseitig an eine Speisespannung angeschlossen .und ohne Luftspalt ausgebildet ist, und wobei als Ersatz für einen Luftspalt am Transformator im Speisekreis eine die strombegrenzende Funktion eines Luftspaltes nachbildende elektronische Regelung (EST) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisespannung eine aus einer sinusförmig modulierten Rechteckspannung durch Filtern gewonnene Wechselspannung mit einer Frequenz von 300 - 800 Hz ist, dass an dem Transformator sekundärseitig eine Leuchtröhre anschliessbar ist, und dass der Transformator so ausgelegt ist, dass er die Speisespannung auf eine Hochspannung im Bereich von 750 V - 15000 V hochtransformiert.
  2. Versorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Speisespannung 400 Hz beträgt.
  3. Versorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisespannung durch Gleichrichten mit einem Gleichrichter (GR) und durch nachfolgendes Wechselrichten mit einem Wechselrichter (WR) aus dem elektrischen Wechselspannungsnetz (Ph,N.E) gewonnen wird.
  4. Versorgungsschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (WR) eine sinusförmig modulierte Rechteckspannung bzw. eine sinusförmig modulierte Folge von Rechtecksignalen erzeugt.
  5. Versorgungsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechelrichter (WR) eine Steuerung der Breite bzw. der Dauer der Rechtecksignale zulässt.
  6. Versorgungsschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite bzw. Dauer der Rechtecksignale in Abhängigkeit von einem Steuersignal (S1) erfolgt, welches aus einem Strom-Messignal (MI) durch die elektronische Steuerung EST abgeleitet wird.
  7. Versorgungsschaltung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Strom-Messignal (MI) auf der Primärseite des Transformators (T) gewonnen werden.
  8. Versorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Wechselrichter (WR) und die Primärwicklung des Transformators (T) ein Filter (F2) zur Reduktion von Oberwellen bezüglich der Frequenz der Speisespannung geschaltet ist, welcher mit der Primärwicklung einen Schwingkreis bildet
  9. Versorgungsschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz des Schwingkreises auf die Frequenz der Speisespannung abgestimmt ist.
EP98946202A 1997-10-10 1998-10-09 Versorgungsschaltung für eine leuchtröhrenanlage Expired - Lifetime EP1020100B1 (de)

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