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Betriebsgerät für Entladungslampen mit Schalterentlastung beim Vorheizen der Elektrodenwendeln
EP1176851A1
European Patent Office
- Other languages
English French - Inventor
Markus Heckmann - Current Assignee
- Osram GmbH
Worldwide applications
Application EP01115933A events
2002-01-30
2003-08-20
Application granted
2003-08-20
2021-06-29
Anticipated expiration
Status
Expired - Lifetime
Description
translated from
Die Erfindung geht aus von einem Betriebsgerät für Entladungslampen gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um eine Schaltung,
bei der die Möglichkeiten zur Heizung von Elektrodenwendeln (W1, W2) verbessert
sind.
Bekannt ist, dass Gasentladungslampen eine höhere Lebensdauer erreichen, wenn
ihre Elektroden vor der Zündung aufgeheizt werden. Üblich ist dafür der Begriff
Vorheizung. In der Regel sind dafür die Elektroden als Wendeln ausgeführt, die zum
Zwecke der Vorheizung mit einem Vorheizstrom beaufschlagt werden. Auch während
dem Betrieb der Lampe kann ein Heizstrom durch die Wendeln erwünscht sein,
um eine Bestimmte Wendeltemperatur aufrecht zu erhalten. Dies ist insbesondere
beim Dimmen einer Lampe der Fall.
In der Schrift EP 0707438 wird eine Schaltung zum Heizen der Wendeln offenbart,
die unabhängig vom Betrieb der Gasentladung erscheint. Dazu wird parallel zu einem
der beiden Halbbrückenschalter die Pimärwicklung (L11) eines Heiztransformators
(L11, L12, L13) geschaltet. In Serie dazu ist ein Koppelkondensator (CB1) geschaltet
um im wesentlichen den Gleichanteil der von der Halbbrücke gelieferten
Wechselspannung aufzunehmen. Des weiteren kann in Serie zur Primärwicklung
auch ein elektronischer Schalter (S3) vorhanden sein, mit dem die Heizung der Wendeln
ein- und ausgeschaltet werden kann, oder mittels eines Pulsbetriebs, die Stärke
der Heizung eingestellt werden kann. Der Heiztransformator (L11, L12, L13) besitzt
mehrere Sekundärwicklungen (L12, L13), die den Heizstrom für die Wendeln (W1,
W2) liefern. Manche Betriebsgeräte besitzen Wendelüberwachungsschaltungen, die
mit einem im Vergleich zum Lampenstrom kleinem Gleichstrom arbeiten. Um die
Funktion dieser Schaltungen nicht zu beeinträchtigen, muss der Gleichstromfluss
durch die Sekundärwicklungen in mindestens einer Richtung verhindert werden.
Dies kann durch die Serienschaltung eines Kondensators oder einer Diode zur jeweiligen
Sekundärwicklung erreicht werden. Wird nur eine Lampe betrieben, so ist in
der Regel für jede Wendel eine Sekündärwicklung (L12, L13) vorhanden. In Ausnahmefällen
kann auch die Heizung von nur einer Wendel gewünscht sein. Beim
Betrieb von mehreren in Serie geschalteten Lampen genügt für die miteinander verbundenen
Wendeln eine gemeinsame Sekundärwicklung. Die Möglichkeit der freien
Wahl des Heizstromes für die Wendeln durch entsprechende Dimensionierung des
Heiztransformators und/oder Pulsbetrieb ist jedoch, wie im folgenden erläutert, eingeschränkt.
Ein elektronisches Betriebsgerät enthält in der Regel einen, mit Hilfe von elektronischen
Schaltern aufgebauten Generator, der im Vergleich zur Netzspannungsfrequenz
hochfrequente Spannung abgibt. Über geeignete Reaktanzzweitore wird damit
die Energie zum Betrieb von Lampen bereitgestellt. Die hohe Betriebsfrequenz bedingt
eine hohe Schalthäufigkeit der elektronischen Schalter wodurch, es wichtig
wird, dass der einzelne Schaltvorgang eines elektronischen Schalters möglichst verlustarm
abläuft. Aus der Literatur sind etliche Schaltungstopologien bekannt, die ein
resonantes bzw. quasiresonantes Schalten ermöglichen und damit die Schaltungsverluste
gering halten. Für den Bereich der elektronischen Betriebsgeräte für Lampen
hat sich die Halbbrücke als Standardtopologie etabliert. Dabei handelt es sich um
eine, zwischen einem Zwischenkreispotenzial (P) und einem Bezugspotenzial (E)
einer Betriebsspannung (DC) anliegende Serienschaltung von zwei elektronischen
Schaltern (S1, S2). Die Verbindungsstelle (M) der Schalter wird durch abwechselndes
Schließen und Öffnen der Schalter abwechselnd mit dem Zwischenkreispotenzial
(P) und dem Bezugspotenzial (E) verbunden. Soll nun ein Schalter durch einen Einschaltvorgang
einen Potenzialwechsel der Verbindungsstelle (M) bewirken, so liegt
am Schalter zunächst eine hohe Spannung an, die im Laufe des Schaltvorgangs auf
einen niedrigen Wert absinkt. Da der Schalter gleich zu Beginn des Schaltvorgangs
Strom tragen muss, ergeben sich hohe Schaltverluste. Es ist deshalb danach zu trachten,
dass ein Schalter nur dann eingeschaltet wird, wenn an ihm nur eine kleine
Spannung anliegt. Die Halbbrücke bietet nun die Möglichkeit eines derartigen ZVS
(Zero-Voltage-Switching). Werden bestimmte Voraussetzungen erfüllt, so wechselt
das Potenzial der Verbindungsstelle (M) selbsttätig (quasiresonant) beim Öffnen eines
Schalters vom einen Potenzial der Betriebsspannung (DC) zum anderen, ohne
dass der andere Schalter geschlossen werden muss. Nach dem selbsttätigen Potenzialwechsel
kann der andere Schalter nahezu verlustfrei eingeschaltet werden. Um den
selbsttätigen Potenzialwechsel nicht zu schnell ablaufen zu lassen wird häufig parallel
zu mindestens einem der beiden Schalter ein Entlastungskondensator (CT) geschaltet.
Damit werden die Verluste des öffnenden Schalters verringert und die durch
den Schaltvorgang erzeugten Störungen reduziert.
Es muss also versucht werden, Bedingungen zu schaffen, die einen selbsttätigen Potenzialwechsel
der Verbindungsstelle (M) beim öffnen eines Schalters der Halbbrücke
bewirken. Eine notwendige Bedingung dafür besteht darin, dass die von der
Halbbrücke gespeiste Last induktives Verhalten zeigen muss. Das Reaktanzzweitor
(Z) zum ankoppeln der Lampen an die Halbbrücke enthält in der Regel eine Lampendrossel
(L2). Im Normalbetrieb der Lampe kann damit leicht eine Betriebsfrequenz
eingestellt werden, bei der die Last der Halbbrücke induktiv wirkt. Wird jedoch
zum Vorheizen der Wendeln (W1,W2) der oben beschriebene Heiztransformator
(L11, L12, L13) verwendet und befinden sich die Lampen in der Vorheizphase,
so ist der Beitrag der Lampendrossel (L2) zur Lastimpedanz zu schwach, um eine
Entlastung der Halbbrückenschalter (S1, S2) sicher zu gewährleisten. Um diesem
Effekt entgegenzuwirken kann die Induktivität der Lampendrossel (L2) angepasst
werden. Dies ist jedoch selten möglich, da die Lampendrossel (L2) für den Normalbetrieb
optimiert werden muss. Um die Induktivität der Lastimpedanz zu erhöhen, ist
es auch möglich die Kapazität des Entlastungskondensators (CT) zu reduzieren. Dies
bringt jedoch folgende Nachteile mit sich: Die Ausschaltverluste der Halbbrückenschalter
(S1, S2) werden erhöht, die Funkstörungen, die das Betriebsgerät erzeugt,
werden stärker und die Möglichkeiten aus dem Strom durch den Entlastungskondensator
(CT) eine Energieversorgung für Hilfsschaltungen aufzubauen wird eingeschränkt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betriebsgerät gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bereitzustellen, das auch im Vorheizbetrieb ein nahezu spannungsloses
Einschalten der Halbbrückenschalter (S1, S2) gewährleistet.
Diese Aufgabe wird bei einem Betriebsgerät mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1
gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die Lampen werden an die von der Halbbrücke am Mittelpunktspotenzial (M) gelieferte
Wechselspannung über ein Reaktanznetzwerk angeschlossen. Dieses besteht
meist aus einem Serienresonanzkreis bestehend aus der Lampendrossel (L2) und
einem Resonanzkondensator (CR). In Serie geschaltet zu den Lampen ist ein Koppelkondensator
(CB2) nötig, der den Gleichspannungsanteil der von der Halbbrücke
gelieferten Wechselspannung aufnimmt. Dieser Koppelkondensator (CB2) kann auch
doppelt ausgeführt sein, wobei dann einer mit dem Zwischenkreispotenzial (P) und
einer mit dem Bezugspotenzial (E) verbunden ist. Zum Zünden ist die Schaltfrequenz
der Halbbrücke nahe der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises (L2, CR).
Beim Vorheizen sind die Lampen nicht gezündet, d.h. es fließt kein Lampenstrom.
Während der Vorheizung darf die Lampenspannung nicht hoch sein, um eine vorzeitige
Gasentladung in der Lampe zu vermeiden. Deshalb ist auch der Strom durch den
Serienresonanzkreis gering. Der Laststrom wird demnach beim Vorheizen wesentlich
durch den Strom in der Pimärwicklung des Heiztransformators (L11, L12, L13) beeinflusst.
Die Last muss im Abschaltmoment eines Halbbrückenschalters (T1, T2)
bedingt durch ihren induktiven Charakter genügend Energie gespeichert haben, um
einen Potenzialwechsel der Verbindungsstelle (M) zu bewirken. Üblicherweise versucht
man Eigenschaften eines Transformators zu erzielen, die denen eines idealen
Transformators möglichst nahe kommen. Deshalb haben die bekannten Heiztransformatoren
keinen Luftspalt. Zumindest wird versucht den Herstellungsbedingten
Luftspalt so klein wie möglich zu halten. Erfindungsgemäß wird nun bewusst ein
Luftspalt in den Heiztransformator (L11, L12, L13) eingefügt. Damit kann der Heiztransformator
(L11, L12, L13) Energie speichern. Diese Energie bewirkt beim Ausschalten
eines Halbbrückenschalters einen Potenzialwechsel der Verbindungsstelle
(M) und damit ein nahezu spannungsloses, verlustarmes Einschalten der Halbbrückenschalter
(S1, S2).
Die Breite eines herstellungsbedingten Luftspalts in einem Transformator, der keinen
Luftspalt enthalten soll, liegt deutlich unter 0,1mm. Ein Luftspalt, der eine erfindungsgemäße
Wirkung in üblichen Betriebsgeräten zeigen soll, muss eine Breite von
mindestens 0,1mm aufweisen. Eine Unterscheidung zwischen einem erfindungsgemäßen
und einem nicht erfindungsgemäßen Luftspalt ist daher leicht möglich.
In Serie zur Primärwicklung des Heiztransformators (L11, L12, L13) ist meist ein
Koppelkondensator (CB1) geschaltet. Er dient zunächst zum Auskoppeln des Gleichspannungsanteils
der von der Halbbrücke erzeugten Wechselspannung. Bei entsprechender
Dimensionierung kann er aber auch zur Bestimmung der Stärke des Heizstroms
benutzt werden. In Serie zur Primärwicklung des Heiztransformators (L11,
L12, L13) kann auch ein Schalter (S3) liegen. Dieser kann entweder die Heizung der
Wendeln (W1, W2) ein- und ausschalten oder im Pulsbetrieb den Heizstrom regeln.
Die Problematik des spannungslosen Einschaltens der Halbbrückenschalter trifft äquivalent
auch für Schalter zu, die in einer Vollbrückenanordnung verschaltet sind.
Jeweils eine Hälfte der Vollbrücke kann als Halbbrücke aufgefasst werden, für die
obige Ausführungen zutreffen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die Figur zeigt eine Schaltung, bei der der Heiztransformator (L11, L12, L13) erfindungsgemäß
mit einem Luftspalt versehen ist.
Eine Betriebsspannungsquelle (DC) liefert zwischen einem Zwischenkreispotenzial
(P) und einem Bezugspotenzial (E) eine Gleichspannung an die Schaltung in der Figur.
An diese Gleichspannungsquelle (DC) ist die Halbbrücke geschaltet, die aus der
Serienschaltung zweier Schalter gebildet wird (S1, S2). Am Verbindungspunkt (M)
der Schalter erzeugt die Halbbrücke eine im Vergleich zur Netzspannungsfrequenz
hochfrequente Wechselspannung. Parallel zu jedem Schalter ist eine Freilaufdiode
(D1, D2) geschaltet. Parallel zum oberen Schalter (S1) liegt ein Entlastungskondensator
(CT). Gleichwirkend könnte der Entlastungskondensator (CT) auch parallel
zum unteren Schalter (S2) geschaltet sein. Parallel zum unteren Schalter (S2) liegt
der Primärkreis der Wendelheizschaltung. Er wird gebildet aus der Serienschaltung
eines ersten Koppelkondensators (CB1) mit einem Schalter (S3) und der Primärwicklung
(L11) des Heiztransformators (L11, L12, L13). Gleichwirkend könnte der Primärkreis
der Wendel auch parallel zum oberen Schalter (S1) geschaltet sein. An der
Verbindungsstelle (M) der Halbbrückenschalter (S1, S2) ist die Lampendrossel (L2)
angeschlossen. Mit dem anderen Ende der Lampendrossel ist ein erster Lampenanschluss
(A1) verbunden. Damit ist auch ein Anschluss des Resonanzkondensators
(CR) verbunden. Der andere Anschluss des Resonanzkondensators (CR) ist mit einem
Bezugspotenzial (E) der Betriebsspannung (DC) verbunden. Ein zweiter Anschluss
der Lampe (A2) ist über einen zweiten Koppelkondensator (CB2) auch mit
dem Bezugspotenzial (E) verbunden. Anstatt am Bezugspotenzial (E) kann der Resonanzkondensator
(CR) gleichwirkend auch am zweiten Lampenanschluss (A2)
angeschlossen sein. Zwischen dem ersten (A1) und einem dritten Lampenanschluss
(A3) liegt die erste Wendel (W1) der Lampe (Lp). Parallel dazu ist eine erste Sekundärwicklung
(L12) des Heiztransformators (L11, L12, L13) geschaltet. Zwischen
dem zweiten (A2) und einem vierten Lampenanschluss (A4) liegt die zweite Wendel
(W2) der Lampe (Lp). Parallel dazu ist eine zweite Sekundärwicklung (L13) des
Heiztransformators (L11, L12, L13) geschaltet. In der Figur ist eine Schaltung mit
nur einer Lampe (Lp) ausgeführt. Die Schaltung kann jedoch auch für mehrere in
Serie geschaltete Lampen verwendet werden. Entsprechend den dann zu beheizenden
Wendeln muss der Heiztransformator (L11, L12, L13) um weitere Sekundärwicklungen
ergänzt werden.
Claims (9)
Hide Dependent
translated from
Claims (9)
Hide Dependent
translated from
- Elektronisches Vorschaltgerät für Gasentladungslampen mit beheizbaren Wenden, das folgende Merkmale aufweist:dadurch gekennzeichnet, dass der Kern des Heiztransformators einen, bezüglich der elektrischen Daten des Heiztransformators (L11, L12, L13) wirksamen Luftspalt aufweist.eine Gleichspannungsversorgung (DC) zwischen einem Zwischenkreispotenzial (P) und einem Bezugspotenzial (E),zwei in Serie geschaltete elektronische Schalter (S1, S2), die eine Halbbrücke mit Mittelpunktspotenzial (M) bilden, wobei einer der Schalter (S1) mit dem Zwischenkreispotenzial (P) und der andere (S2) mit dem Bezugspotenzial (E) verbunden ist und die Schalter (S1,S2) abwechselnd ein und ausschalten, damit am Mittelpunktspotenzial (M) eine Wechselspannung entsteht,ein Heiztransformator (L11, L12, L13) mit Kern, der sekundärseitig (L12, L13) Energie an die Wendeln (W1, W2) abgibt und primärseitig (L11) seine Energie aus der von der Halbbrücke erzeugten Wechselspannung bezieht
- Betriebsgerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt mindestens 0,1 mm Breite hat.
- Betriebsgerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu mindestens einem Halbbrückenschalter (S1, S2) ein Entlastungskondensator (CT) geschaltet ist.
- Betriebsgerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Lampen über einen Serienschwingkreis bestehend aus einer Lampendrossel (L2) und einem Resonanzkondensator (CR) an die Halbbrücke angeschlossen sind, wobei die Lampen parallel zum Resonanzkondensator (CR) liegen und dass der Strom durch die Lampen durch mindestens einen Koppelkondensator (CB2) fließen muss.
- Betriebsgerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Heiztransformator (L11, L12, L13) mindestens eine Lampenwendel (W1, W2) durch Parallelschaltung einer Sekundärwicklung (L12, L13) mit Heizstrom versorgt.
- Betriebsgerät nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass in Serie zu mindestens einer Sekundärwicklung (L12, L13) ein elektrisches Bauteil geschaltet ist, das den Fluss eines elektrischen Gleichstroms durch die betreffende Sekundärwicklung in mindestens einer Richtung verhindert.
- Betriebsgerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (L11) des Heiztransformators (L11, L12, L13) in einem Primärkreis verschaltet ist, der parallel zu einem der beiden Halbbrückenschalter (S1, S2) liegt.
- Betriebsgerät nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Primärkreis aus der Serienschaltung der Primärwicklung (L11), einem weiteren Koppelkondensator (CB1) und einem weiteren elektronischen Schalter (S3) besteht.
- Betriebsgerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücke um zwei weitere elektronische Schalter zur Vollbrücke erweitert ist.