FI109572B - Menetelmä ja laite suurtaajuusvaihtovirran syöttämiseksi pienpaineiselle purkauslampulle - Google Patents

Description

109572

Menetelmä ja laite suurtaajuusvaihtovirran syöttämiseksi pienpaineiselle pur-kauslampulle

Keksinnön kohteena on menetelmä suurtaajuusvaihtovirran syöttämiseksi 5 pienpaineiselle purkauslampulle, jossa menetelmässä lamppuvirta johdetaan i puolisiltahakkurin kytkimien välisen pisteen ja lampun kanssa sarjaan kytketyn induktanssin kautta kondensaattoriin, joka on mitoitettu niin suureksi, että se toimii olennaisesti tasajännitteellä virtalähdekondensaattorina.

10 Keksinnön kohteena on myös elektroninen liitäntälaite suurtaajuusvaihtovirran syöttämiseksi pienpaineiselle purkauslampulle, johon laitteeseen kuuluu puoli-siltahakkuri ja sen kytkimien väliseen pisteeseen kytketty lamppupiiri, johon kuuluu sarjaan kytkettyinä induktanssi, lamppu ja kondensaattori, joka on mitoitettu niin suureksi, että se toimii olennaisesti tasajännitteellä virtalähdekonden-15 saattorina, ja toinen kondensaattori, joka on kytketty lampun ja tasajännitekon-densaattorin sarjakytkennän rinnalle.

Tämän tyyppisissä tunnetuissa liitäntälaitteissa induktanssin ja toisen kondensaattorin resonanssitaajuutta on käytetty hyväksi katodien hehkutuksen aikana 20 ennen lampun syttymistä. Kun lamppuvirta alkaa kulkea, on taajuus ohjattu ,:siirtymään pois resonanssista, yleensä matalammalle taajuudelle, jotta induk-:··: tanssin läpi saadaan kulkemaan tarvittava lamppuvirta. Lisäksi taajuussäätöä on käytetty hyväksi lampun himmennyssäätöön.

:: 25 Näiden tunnettujen liitäntälaitteiden komponentit ja taajuus on erikseen mitoitet- :: tava ja sovitettava eri lampputyypeille, joilla on erilaiset tehot. Markkinoille on tullut neljä uutta lampputyyppiä, joilla on sama nimellisvirta (170 mA), mutta erilaiset tehot (14 W, 21 W, 28Wja35W).

•: · ·: 30 Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan alussa mainittua tyyppiä oleva me- * »* :· netelmä ja laite, joilla sama liitäntälaite soveltuu eri lampputyypeille, joilla on ·; olennaisesti sama nimellisvirta, mutta joiden tehot poikkeavat toisistaan.

2 109572 Tämä tarkoitus saavutetaan oheisen patenttivaatimuksen 1 mukaisella menetelmällä. Tämä tarkoitus saavutetaan myös oheisen patenttivaatimuksen 4 mukaisella laitteella. Epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa on esitetty keksinnön edullisia sovellutusmuotoja.

5

Seuraavassa keksintöä havainnollistetaan suoritusesimerkkien ja teoreettisen tarkastelun avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen liitäntälaitteen pelkistettyä piirikaaviota, 10 jossa on esitetty vain ne keskeiset komponentit, jotka ovat tarpeen piirin toiminnalle sen erilaisissa toteutusmuodoissa. On selvää, että piiriin kuuluu suurehko määrä piirin toimintaa parantavia muita komponentteja ja apupiirejä, joita tässä yhteydessä ei ole tarpeen esittää; 15 kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaisen liitäntälaitteen piirikaaviota täydennettynä mittauksiin 6, 7 perustuvalla valvonnalla; kuvio 3 esittää lamppupiirin yksinkertaistettua mallia myöhempää teoriatarkas-telua varten; 20 kuvio 4 esittää lamppujännitettä, -virtaa ja -tehoa taajuuden suhteen, kun ole-:*: tettu lamppuresistanssi on 485 ohm; ja :kuvio 5 esittää tietyn tyyppisten loistelamppuputkien toimintapisteen resistans-• · * 25 seilla laskettuja lamppuvirran arvoja, kun induktanssin arvo on * · · •...: 3,887 mH ja resonanssikondensaattori on 3,3 nH sekä tulojännite 410 V.

e • * »· ·

Kuvioiden 1 ja 2 mukaiseen liitäntälaitteeseen kuuluu puolisiltahakkuri 1, 2 ja ·:··: 30 sen kytkimien 1, 2 väliseen pisteeseen Vin kytketty lamppupiiri, johon kuuluu sarjaan kytkettynä induktanssi L, lamppu 4 ja kondensaattori 5, joka on mitoitet-; tu niin suureksi, että se toimii olennaisesti tasajännitteellä virtalähdekonden- saattorina. Toinen kondensaattori C on kytketty lampun 4 ja tasajännitekonden- 3 109572 saattorin 5 sarjakytkennän rinnalle. Viitenumerolla 8 on merkitty tasavirtaläh-dettä, joka on esim. 410 V.

Puolisiltahakkurin 1, 2 taajuus on ohjattu ohjauselimiin 3 kuuluvalla oskillaatto-5 riita pidettäväksi induktanssin L ja toisen kondensaattorin C muodostaman värähtelypiirin resonanssitaajuudessa lampun 4 normaalin toiminnan aikana, kun lamppuvirta kulkee lampun läpi. Jotta tämä olisi mahdollista, on induktanssin L ja toisen kondensaattorin C mitoitukset valittu niin, että komponenttien L, C resonanssitaajuudella saadaan haluttu lamppuvirta (esim. 170 mA), joka on 10 olennaisesti riippumaton lampun 4 resistanssista (resistanssi R kuviossa 3).

Tämä tarkoittaa sitä, että piiri toimii eräänlaisena vakiovirtageneraattorina, jossa virta on riippumaton kuorman 4 resistanssista R. Koska asia ei ole mitenkään ilmeinen ja toteutuu vain tietyllä resonanssitaajuudella tietylle virralle, esitetään seuraavassa vakiovirtaa syöttävän resonanssipiirin teoreettinen 15 tarkastelu.

Seuraavassa esitettävä matemaattinen manipulaatio perustuu kuvan 3 yksinkertaistetulle lamppupiirille. Kaiken ylimääräisen välttämiseksi vain kuvassa esiintyvät neljä komponenttia ovat tarpeen tämän periaatteellisen tarkastelun 20 havainnollistamiseksi. Kuvassa Vin edustaa puolisillan keskipisteen jännitettä.

.:': Koska on kaikkein helpointa käsitellä vain sinimuotoista jännitettä, keskipisteen jännitteen muodosta on otettu huomioon vain sen ensimmäinen harmoninen. Tyypillisesti etuhakkurin lähtöjännite on meidän tuotteissamme noin 410 V.

: Koska kantoaallon ensimmäisen harmonisen tehollinen arvo on 0.9 kertaa :...: 25 huippuarvo, voidaan Vin jännitteen olettaa olevan siis vakioarvoltaan 0.9-205

Vrms (=184.5 Vrms). Tulojännitteen Vin huippuarvo on vain puolet etuhakkurin lähtöjännitteestä 2x Vin, koska kytkennästä on jätetty pois DC-kondensaattori 5. DC-kondensaattorin merkitys ei ole tässä tarkastelussa kovin suuri. Kuvan 3 viitemerkki L on lamppukela ja C sytytyskondensaattori. Vastus R edustaa 30 lampun resistanssia toimintapisteessään. Toki oikea lamppu on melko epäline-aarinen, mutta nopeassa tarkastelussa riittää yksinkertaisen vastuksen käyttä-: minen lampun tilalla. Muiden resistiivisten komponenttien, kuten katodien 4 109572 käyttö ei vaikuta tässä vaiheessa kovinkaan paljon tuloksiin. Sitäpaitsi kaikki häviöt on muutenkin tarkoitus minimoida.

Kaavassa 3 on esitetty resonanssipiirin vastuksen R (eli lampun) jännitteen VL 5 suhde tulojännitteeseen Vin ja vastaavasti vastuksen virran lL suhde tulojännit-teeseen Vin on esitetty kaavassa 2. Molemmat kaavat on esitetty piirianalyysissä yleisesti käytettävän Laplace-muunnoksen avulla.

10 vl(s) _&_ 1.

Vin(s) s2 L R C+s L+R

\ M*) 1 2.

^ Vin(s) s2 L R C + s L + R

Esimerkiksi voidaan ottaa vaikka 14 W:n T5-lamppu ja oletetaan kokemusperäisenä likiarvona, että lamppukelan arvo on 4 mH ja sytytyskondensaattori 20 2.2 nF. Käyttämällä MathCadia automatisoimaan tätä matemaattista manipu-1:· laatiota saadaan nimellisellä resistanssilla kuvan 4 mukaiset käyrät lamppuvir- ralle ja -jännitteelle sekä vieläpä teholle. Kuviin on piirretty viivat nimellisten arvojen kohdalle. Näin näyttäisi tämän esimerkin mukaisesti sopiva taajuus '···’ olevan jossain 40 kHz:n ja 50 KHz:n välillä.

* · 25 ’··* Yhtälöstä 2. voidaankin ratkaista miten lamppuvirta olisi sitten kuormasta (täs sä tapauksessa lampun korvaavasta vastuksesta R) riippumaton. Yhtälö voi- * * · · · ... daan muuntaa reaalitasoon, koska halutaan tarkastella vain reaalista virtaa.

30 O , 1 3.

: K Jl1 C! R1 m' +(iJ -2-L-C R) <o2 +R7 5 109572

Yhtälössä 3 ω on kulmataajuus.

Jotta tämä lauseke olisi vastuksesta riippumaton, niin yhtälön neliöjuuren alla olevien R:n sisältävien termien siimman tulee olla nolla.

5 L2 C2 ω*-2-L C-ω2+1 = 0 4.

Yhtälöstä 4 voidaan yksinkertaisesti ratkaista, että toimintataajuuden tulee olla sama kuin kuristimen ja kondensaattorin muodostaman resonanssipiirin 10 resonanssitaajuus (yhtälö 5).

1 5.

ω = -== JTc 15 Kun yhtälön 3 R:n sisältämien termien summa on O, niin jäljelle jäi vain yhtälö 6.

h _ 1 ! Tr T 6.

Vin L-ω 20 •::. · Kaikkiaan saadaan yhtälöistä ratkaistua kuristimen ja kondensaattorin arvot : *; kaavojen 7 ja 8 mukaisesti: Ö . -.‘k 7.

·::> 25 '' lx f

... Q

·;·: Vin-2 ·*·/ 30 k » ' ·; · ’ Ottamalla kokemusperäisen arvion perusteella halutuksi toimintataajuudeksi :,: ! 48 kHz, näiden kaavojen 7 ja 8 perusteella saadaan kondensaattorin arvoksi 3.05 nF ja kuristimeksi 3.6 mH. Koska kondensaattorin arvosta tuli arvoltaan 6 109572 varsin epästandardi, niin voidaan laskea toisinpäin: mikä täytyisi olla taajuus ja kuristin, jotta voitaisiin käyttä 3.3 nF:n kondensaattoria. Taajuudeksi tuli 44.4 kHz ja kuristimen arvoksi 3.887 mH. Kuvassa 5. on esitetty kyseisillä arvoilla laskettu käyräparvi eri resistansseilla tulevista lamppuvirroista taajuuden suh-5 teen. Havaitaan, että käyrät yhtyvät halutulla virran arvolla 170 mA.

Koska tässä matemaattisessa tarkastelussa käytettiin vain tulojännitteen ensimmäistä harmonista, niin tyulokset tarkastettiin MicroCap-piirisimulaattoria käyttäen ja jokaiselle lamppua vastaavalle resistanssille saatiin 174 mA:n virta.

10

Kuviossa 2 on lisäksi esitetty, että ohjuselimiin 3 kuuluu puolisiltahakkurin kytkimen 2 kautta kulkevan virran mittauselimet 6, 3. Jos mitattu virta, erityisesti virran huippuarvo, ylittää tai alittaa ennalta asetetut virtarajat, ohjauselimet 3 nostavat puolisiltahakkurin 1,2 taajuuden olennaisesti komponenttien L, C 15 resonanssitaajuutta suuremmaksi. Tämä on tarpeen, jotta esim. lampun 4 palaessa resonanssipiirin L, C jännite ja virta eivät kohoa liian suuriksi. Viitenumerolla 7 on merkitty mahdollisuus mitata lamppupiirin virran ja jännitteen välinen vaihe-ero. Tämän mittauksen avulla on mahdollista varmistaa piirin toiminta resonanssitaajuudessa. Jos mittaus 7 on järjestetty, sitä voidaan käyttää paitsi 20 kontrolleriin 3 asetetun kiinteänä resonanssitaajuuden valvomiseen, myös •; : resonanssitaajuuden määräämiseen vaihtoehtona sille, että kontrolleriin 3 on ':‘asetettu kiinteä resonanssitaajuus.

Keksinnön lisäetuna saavutetaan se, että liitäntälaite soveltuu käytettäväksi 25 myös kaksilamppuisissa kytkennöissä, joissa samaan liitäntälaitteeseen kytket-·..* tyjen lamppujen tehot voivat olla keskenään erilaiset (esim. toinen 14 W ja toinen 35 W). Tämä mahdollistaa monipuolisemman valaistussuunnittelun.

Claims (6)

1. 7 109572
2. 1. Menetelmä suurtaajuusvaihtovirran syöttämiseksi pienpaineiselle purkaus-lampulle (4), jossa menetelmässä lamppuvirta johdetaan puolisiltahakkurin 5 kytkimien (1, 2) välisen pisteen (Vin) ja lampun (4) kanssa sarjaan kytketyn induktanssin (L) kautta kondensaattoriin (5), joka on mitoitettu niin suureksi, että se toimii olennaisesti tasajännitteellä virtalähdekondensaattorina, tunnettu siitä, että puolisiltahakkurin (1, 2) taajuus pidetään lampun (4) normaalin toiminnan aikana mainitun induktanssin (L) ja toisen kondensaattorin (C), joka on 10 kytketty lampun (4) ja tasajännitekondensaattorin (5) sarjakytkennän rinnalle, resonanssitaajuudessa, ja mainitut resonanssikomponentit (L, C) on valittu niin, että niiden resonanssitaajuudella saadaan haluttu lamppuvirta (lL), joka on olennaisesti riippumaton lampun (4) resistanssista (R).
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lamppuvir-taa valvotaan mittaamalla puolisiltahakkurin kytkimen (2) kautta kulkevaa virtaa ja nostetaan puolisiltahakkurin (1,2) taajuus olennaisesti mainitun resonanssi-taajuuden yläpuolelle, kun mitattu virta alittaa tai ylittää ennalta määrätyt virta-rajat. 20
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että puoli-siltahakkurin (1, 2) taajuus pidetään arvossa noin 44,4 kHz, kun kondensaatto- ♦»· ··’ rin (C) kapasitanssi on noin 3,3 nF ja induktanssin (L) arvo on noin 3,89 mH. Mt ;;;* 25 4. Elektroninen liitäntälaite suurtaajuusvaihtovirran syöttämiseksi pienpaineisel le purkauslampulle (4), johon laitteeseen kuuluu puolisiltahakkuri (1, 2) ja sen kytkimien (1, 2) väliseen pisteeseen (Vin) kytketty lamppupiiri, johon kuuluu sarjaan kytkettyinä induktanssi (L), lamppu (4) ja kondensaattori (5), joka on ':* mitoitettu niin suureksi, että se toimii olennaisesti tasajännitteellä virtalähde- ’ ’ 30 kondensaattorina, ja toinen kondensaattori (C), joka on kytketty lampun (4) ja t « ‘ ·; · * tasajännitekondensaattorin (5) sarjakytkennän rinnalle, tunnettu siitä, että · puolisiltahakkurin (1, 2) taajuus on ohjattu ohjauselimillä (3) pidettäväksi induk- :...: tanssin (L) ja toisen kondensaattorin (C) muodostaman värähtelypiirin re- 8 109572 sonanssitaajuudessa lampun normaalin toiminnan aikana, kun lamppuvirta kulkee lampun läpi, ja että induktanssi (L) ja toisen kondensaattorin (C) mitoitukset on valittu niin, että mainitulla resonanssitaajuudella saadaan haluttu lamppuvirta, joka on olennaisesti riippumaton lampun (4) resistanssista (R). 5
5. 5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen liitäntälaite, tunnettu siitä, että toisen kondensaattorin (C) kapasitanssi on noin 3,3 nF, induktanssi (L) on noin 3,89 mH ja puolisiltahakkurin (1, 2) taajuus on noin 44,4 kHz.
6. 6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen liitäntälaite, tunnettu siitä, että oh-jauselimiin (3) kuuluu puolisiltahakkurin (1, 2) kytkimen (2) kautta kulkevan virran mittauselimet (6, 3), ja että ohjauselimet (3) on järjestetty nostamaan puolisiltahakkurin (1, 2) taajuus olennaisesti mainittua resonanssitaajuutta suuremmaksi, jos mitattu virta ylittää tai alittaa ennalta asetetut virtarajat. | » * i ; 9 109572