HU212521B - Circuit arrangement for supplying discharge lamps - Google Patents

Description

A találmány tárgya egy olyan áramköri elrendezés kisülő lámpák táplálására, amelyben van:

- egy lámpacsatlakozó kapcsokat tartalmazó terhelőág.

- a terhelőághoz kapcsolt, és a terhelőágban f frekvenciával váltakozó áramot létrehozó, egy további ágat és abban legalább egy váltakozóan vezető és nem vezető állapotú kapcsolóelemet tartalmazó DC-AC konverter,

- egy a kapcsolóelemhez kapcsolt, és azt f frekvenciával változóan vezető és nem vezető állapotba vezérlő meghajtó áramkör,

- egy a lámpaáramtól függő, és az f frekvenciát befolyásoló vezérlőjelet előállító, és a meghajtó áramkörhöz ezen vezérlőjellel kapcsolódó, továbbá a lámpához is hozzákapcsolt frekvenciavezérlő áramkör.

Ilyen áramköri elrendezést ismertet például az EPA 0 351 012 lajstromszámú európai szabadalmi bejelentés.

Az ebben leírt áramköri elrendezés a kisülő lámpa áramát lényegében állandó szinten tartva szabályozza.

Ha a vezérlőjel is függ a lámpa feszültségtől, lehetséges a lámpa által fogyasztott teljesítmény átlagos értékét (ezt az átlagos értéke a továbbiakban lámpateljesítménynek nevezzük) lényegében állandó értékre szabályozni különböző típusú kisülő lámpáknál is, és lényegében függetlenné lehet tenni olyan tényezőktől, mint a tápfeszültség változása vagy a környezeti hőmérséklet ingadozása. Ha a vezérlőjel függ a kisülő lámpa által felvett teljesítmény megkívánt átlagos értékétől, lehetőség van arra, hogy a kisülő lámpa fényét tompítsuk a kisülő lámpa által felvett teljesítmény megkívánt átlagos értékének a beállítása által. Ha a kisülő lámpa által felvett teljesítmény megkívánt átlagos értékének a beállítása megváltozik, az f frekvencia értéke olymódon került beállításra, hogy a lámpateljesítmény lényegében egyenlő legyen a megkívánt teljesítménnyel. A lámpa teljesítményének ez a beállítási lehetősége azonban csak egy olyan lámpateljesítménytartományon belül működik, amelyen belül egyértelmű viszonyban van a lámpateljesítmény az f frekvenciával. Ebben az esetben az f frekvencia mindegyik értéke megfelel a lámpateljesítmény egy adott értékének. Mivel a terhelőág gyakran a lámpával sorbakapcsolt induktív elemeket tartalmaz, a lámpateljesítmény az f frekvencia növekedésével arányosan csökken. Dyen összefüggést találhatunk a lámpateljesítmény egy aránylag széles tartományában a gyakorlatban sok különböző típusú és teljesítményű kisülő lámpánál. Ez az összefüggés lehetővé teszi, hogy a lámpateljesítményt egy megkívánt tartományon keresztül az f frekvencia segítségével lehessen beállítani.

Néhány kisülő lámpánál azonban az f frekvencia és a lámpa teljesítménye közötti viszony nem egyértelmű a megkívánt lámpateljesítmény-beállítási tartomány egy részén. Ennek eredményeként nem áll fenn egyértelmű viszony a vezérlőjel és a lámpateljesítmény között a lámpateljesítmény megkívánt beállítási tartományának ezen a szakaszán. Ez a fenti megoldás hátrányát jelentő tény.

Azt találtuk, hogy például bizonyos kompakt fluoreszcens lámpákra (kompakt fénycsövekre) nézve a lámpateljesítmény a f frekvencia értékének a növekedésével növekszik egy bizonyos tartományon keresztül, míg a lámpateljesítmény az f frekvencia növekedésével csökken az ezen a tartományon kívül eső értékekre nézve. Ez azt jelenti, hogy az f frekvencia egy bizonyos tartományán belül az f frekvencia mindegyik értéke a lámpateljesítmény kettő vagy több különböző értékének felel meg. Ezek a lámpateljesítmény-értékek a vezérlőjellel sem mutatnak egyértelmű összefüggést. Azok a lámpateljesítmény-értékek nem állíthatók be, amelyek azon a tartományon belül helyezkednek el, ahol a lámpateljesítmény növekszik a frekvencia függvényében. Úgy találtuk, hogy a lámpateljesítményben lengés lép fel a kívánt érték és az f frekvencia megfelelő értékéhez tartozó második érték között. Egy bizonyos lámpateljesítmény-tartományon belül, amely nem egyértelmű, a lámpateljesítmény és az f frekvencia közötti összefüggésen túlmenően az átlagos lámpaáram és az f frekvencia között is összefüggés áll fenn, az átlagos lámpaáram bizonyos tartományán belül. Ez nem egyértelmű az egyes lámpákra nézve. Az eredmény az, hogy az átlagos lámpaáram bizonyos értékeit nem lehet beállítani, míg bizonyos beállításokra a lámpaáram amplitúdójában lengések lépnek fel.

A találmánynak többek között az a célja, hogy egy olyan áramköri elrendezést hozzunk létre, amellyel a lámpateljesítmény a megkívánt beállítási tartományon belül beállítható - függetlenül a kisülő lámpa típusától -, és amelynél ezen tartományon belül egyértelmű kapcsolat áll fenn a lámpateljesítmény és a vezérlőjel között.

Felismertük, hogy a vezérlőjel és a lámpateljesítmény között akkor egyértelmű az összefüggés, ha a vezérlőjel egyidejűleg a lámpateljesítmény aránylag gyors változásaitól is függ.

A találmánynak megfelelően ezt a célt úgy érjük el, hogy egy a kisülő lámpa által felvett lámpateljesítmény gyors változását reprezentáló jelet előállító részáramkör kimenete van a frekvenciavezérlő áramkör kimeneti vezérlőjelét befolyásoló bemenetéhez kapcsolva, azaz más szavakkal a vezérlőjel függ egy olyan jeltől is, amely a kisülő lámpa által felvett teljesítmény aránylag gyors változásainak a mértékét reprezentálja.

Ezen jelet a lámpaáramból lehet leszármaztatni, de más paraméterekből is, mint például a lámpafeszültség vagy a terhelő ágon fennálló feszültség és az azon átfolyó ára közötti fázisdifferenciából is mód nyílhat erre.

A találmány szerinti áramköri elrendezés egy előnyös kiviteli alakjánál ezen jelet a lámpaáram pillanatnyi értékével arányos jel feszültség-egyenirányításával hozzuk létre, és abból az egyenáramú komponenst és a nagyfrekvenciás összetevőket lényegében kiszűrjük. Az ilymódon kapott jel egy váltakozó feszültség. Úgy találtuk, hogy ennek a jelnek a használata a lámpateljesítményt egy igen széles tartományon keresztül beállíthatóvá teszi, még az egyébként problémát jelentő alacsony környezeti hőmérséklet mellett is. A találmány szerinti áramöri elrendezés egy további előnyös kiviteli alakjánál a vezérlő áramkört két jel szuperponált összegével hajtjuk meg. Egy mind a lámpa áramával, mind

HU 212 521 Β ezen jellel arányos vezérlőjel előállítását úgy lehet egyszerű módon megvalósítani, hogy a jelet szuperponálják egy lámpaáramtól függő jelre,

A találmány szerinti kapcsolási elrendezés egyes kiviteli alakjait a következőkben a rajzokra való hivatkozással részletesebben is leírjuk. Az

1. ábra a találmány szerinti áramköri elrendezés felépítésének tömbvázlatos rajzát mutatja; a

2. ábra az 1. ábrán bemutatott kiviteli alakot nagyobb részletességgel ábrázolja; a

3. ábra további részleteket ad az 1. ábrán lerajzolt kiviteli alakról, a

4a ábra a lámpaáramból jelet előállító áramköri részlet kiviteli alakjának a felépítését ábrázolja, a

4b ábra a 4a ábrán látható áramköri részlet bemenetén lévő feszültség hullámalakját, míg a

4c ábra a 4a ábrán látható áramköri részlet kimenetén lévő feszültség hullámalakját mutatja.

Az 1. ábrán az áramköri elrendezés különböző funkcionális részei közötti csatlakozások szaggatott vonallal vannak jelezve.

A jelölt B terhelőág K] és K₂ lámpacsatlakozó kapcsokkal van ellátva. A kisülő L_A lámpa ide csatlakoztatható. Ajelölt D DC-AC konverter 1 és 2 bemenő kapcsokkal és egy további A ággal van ellátva, amely legalább egy kapcsolóelemet tartalmaz, amely a B terhelőágon váltakozó áramot hoz létre azáltal, hogy f frekvenciával váltakozóan vezet és nem vezet. Az A ág erre a célra van a B terhelőághoz csatlakoztatva. Az A ághoz egy E meghajtó áramkör van kapcsolva, hogy az A ágban a kapcsolóelemet váltakozva f frekvenciával vezetővé és nem vezetővé tegye. A C frekvenciavezérlő áramkör olyan vezérlőjelet ad ki, amely az f frekvenciát befolyásolja. Ez a vezérlőjel egyrészt függ a lámpaáramtól, másrészt attól a jeltől, amely a kisülő L_A lámpa által felvett teljesítmény aránylag gyors változásait reprezentálja. A C frekvencia vezérlő áramkör ennek érdekében a B terhelőághoz és az E meghajtó áramkörhöz van csatlakoztatva.

Az 1. ábrán bemutatott áramköri elrendezés működése a következő. Ha az 1 és 2 bemenő kapcsokat egy egyenáramú áramforrás sarkaira kapcsoljuk, az E meghajtó áramkör az A ágban lévő kapcsoló elemeket váltakozva f frekvenciával vezetővé és nem vezetővé teszi. Ennek eredményeként a B terhelőágon egy f frekvenciájú, váltakozó polaritású áram folyik. A C frekvenciavezérlő áramkör egy vezérlőjelet hoz létre, az f frekvencia változtatására, amely függ egyrészt a lámpaáramtól, másrészt attól a jeltől, amely a kisülő L_A lámpa által teljesítmény aránylag gyors változásait tükrözi. Mivel a vezérlőjel ezen jeltől is függ, egyértelmű összefüggés áll fenn a vezérlőjel és a lámpateljesítmény között, ahol ezen lámpateljesítmény lényegében az egész tartományában független a kisülő L_A lámpa típusától és teljesítményétől. Ez lehetővé teszi, hogy a kisülő L_a lámpa teljesítményét bármely megkívánt értékre beállíthassuk.

A 2. ábrán látjuk, hogy az A ágat a és T₂ kapcsolóelemek soros áramköre alakítja ki. Az A ág az 1 és 2 bemenő kapcsokkal és a C₄ kondenzátorral együtt egy D DC-AC konvertert képeznek. Az L tekercs, a C₂ és

C₃ kondenzátorok, A K, és K₂ lámpacsatlakozó kapcsok és az R_s érzékelő ellenállás képezik a B terhelőágat. A K],K₂ lámpacsatlakozó kapcsokhoz egy kisülő L_a lámpát lehet csatlakoztatni. Az I és II komparátorok és a III áramköri elem képezik az E meghajtó áramkört. Ennél a kiviteli alaknál a C frekvenciavezérlő áramkör az Sj áramforrásból, C| kondenzátorból és a IV áramköri elemből áll.

Az áramköri elrendezés a következőképpen van felépítve.

Az A ág első vége az 1 bemenő kapocshoz van csatlakoztatva, és az A ág további vége a 2 bemenő kapocshoz van kötve. A 2 bemenő kapocs földre van kötve. Az 1 és 2 bemenő kapcsok a C₄ kondenzátorral vannak összekötve. Az 1 és 2 bemenő kapcsok a C₄ kondenzátorral vannak összekötve. Az A ág T₂ kapcsolóelemét az L tekercs és C₃ kondenzátor soros áramköre söntöli. A C₃ kondenzátorral párhuzamosan van kapcsolva a C₂ kondenzátor, a Ki lámpacsatlakozó kapocs, a K₂ lámpacsatlakozó kapocs és az R_s érzékelő ellenállás soros elrendezése. A IV áramköri elem az ábrán nem jelzett módon a lámpához van csatlakoztatva. Ha az 1 és 2 bemenő kapcsok egyenáramú feszültségforrás kapcsaihoz vannak csatlakoztatva és a kapcsolóberendezés stacioner állapotban van, különböző, a lámpaáram és a lámpafeszültség mértékével arányos I_)a és U_la jelek lesznek a IV áramköri elem megfelelő bemenetéin. Egy V_ref referencia feszültséget vezetünk egy további bemenetre, amely a megkívánt lámpateljesítményhez rendelt jellemző. Az IV áramköri elem egy kimenete az Sj áramforráshoz van csatlakoztatva. Az ezen kimeneten lévő R jel egyaránt függ a tényleges lámpateljesítménytől, továbbá a megkívánt lámpateljesítménytől. így az Sj áramforrás által szolgáltatott áram erőssége az R jeltől függ. Az Sj áramforrás a C) kondenzátorra van kapcsolva, amely így feltöltődik és azután kisül az S] áramforráson keresztül. A C] kondenzátor másik vége az R_s érzékelő ellenállásnak a 2 bemenő kapoccsal ellentétes végéhez van kapcsolva.

Mivel a lámpaáram átfolyik az R_s érzékelő ellenálláson, az annak kapcsain fellépő feszültség arányos a lámpaáram pillanatnyi értékével; ennél a kiviteli alaknál az itt fellépő feszültség alakítja ki az S jelet. A Cj kondenzátor első oldalán a potenciál egyenlő az R_s érzékelő ellenállás sarkain fellépő feszültségnek és a

C] kondenzátor sarkain fellépő feszültségnek az összegével, és ez ennél a kiviteli alaknál mint vezérlőjel szerepel. A C] kondenzátor egyik vége az első I komparátor egyik bemenetéhez és a további II komparátor másik bemenetéhez van kapcsolva. Egy lényegében állandó V| feszültség van az első I komparátor másik bemenetén lényegében állandó V₂ feszültség van a további Π komparátor első bemenetén. A V₂ feszültség nagyobb, mint a V] feszültség. Az első I komparátor kimenete össze van kapcsolva a ΠΙ áramköri elem egyik bemenetével. A további II komparátor kimenete össze van kapcsolva a ΠΙ áramköri elem egy további bemenetével. A III áramköri elem első kimenete össze van kapcsolva az S] áramforrás egyik bemenetével. Az I, II komparátorok és a ΠΙ áramköri elem együttesen

HU 212 521 Β egy ablakkomparátort képeznek. Ilymódon belátható, hogy az S] áramforrás által létrehozott áram irányt vált, ha a vezérlőjel kisebb, mint a V ] feszültség vagy nagyobb, mint a V₂ feszültség. Ennek eredményeként a Cj kondenzátoron előálló vezérlőjel lényegében egy háromszög alakú feszültség. A ΠΙ áramköri elem első kimenete a T] kapcsolóelemhez is csatlakoztatva. A ΠΙ áramköri elem egy további kimenete a T₂ kapcsoló elemhez van kapcsolva. Állandósult üzemi viszonyok mellett az E meghajtó áramkör a T_b T₂ kapcsolóelemeket f frekvenciával ellenütemben váltakozva teszi vezetővé. Ennek eredményeként egy lényegében négyszög hullámú, f frekvenciával váltakozó polaritású feszültség van a B terhelőág kapcsai között, és ennek megfelelő áram folyik azon keresztül. Az f frekvencia lényegében egyenlő a vezérlőjel frekvenciájával. A vezérlőjel frekvenciája a V_ref referencia feszültségtől függ, amely a megkívánt lámpateljesítmény és a tényleges lámpateljesítmény függvénye. Ha a vezérlőjel kizárólag a megkívánt és a tényleges lámpateljesítménytől függne, a vezérlőjel és a lámpateljesítmény közötti összefüggés nem lenne egyértelmű bizonyos lámpákra nézve egy bizonyos lámpateljesítmény-tartományon keresztül, például a kompakt fénycsöveknél. Ennek eredményeként a tényleges lámpateljesítménynek egy lebegése jön létre a megkívánt lámpateljesítmény bizonyos beállításainál az ilyen vezérlőjel által. Az R_s érzékelő ellenálláson fennálló feszültség hatásának köszönhetően azonban a vezérlőjel függ a lámpateljesítménynek aránylag gyors változásaitól is, ezért a vezérlőjel és a lámpateljesítmény közötti összefüggés a lámpateljesítmény teljes megkívánt beállítási tartományán keresztül egyértelmű. így lényegében minden megkívánt lámpateljesítményt meg lehet valósítani anélkül, hogy lebegés jönne létre, független a használt kisülő L_a lámpa típusától.

Ennél a kiviteli alaknál csak az egyszerű és olcsó R_s érzékelő ellenállás szükséges az S jel létrehozásához.

A 3. ábrán bemutatott áramköri elrendezés legnagyobb részében azonos az 1. ábrán bemutatott áramköri elrendezéssel. Azonban a 2. ábrán bemutatott áramköri elrendezésben lévő C| kondenzátor S, áramfonáshoz kötöttel ellentétes másik vége földelve van, míg egy további járulékos+additív elem, egy jelösszeadó van jelen a IV áramköri elem kimenete és az Sí áramforrás között, hogy az R jelet az S jelre szuperponálja, amely S jel a lámpateljesítmény aránylag gyors változásait reprezentálja. Ennél a kiviteli alaknál a vezérlőjel lényegében háromszög alakú feszültség a C] kondenzátor kapcsain, és az f frekvencia lényegében egyenlő a vezérlőjel frekvenciájával. Mivel az áramfonás által szolgáltatott áram erőssége az S jeltől is függ, a vezérlőjel egyformán függ az S és az R jeltől. A találmány szerinti áramköri elrendezés e kiviteli alakjára nézve is azt találtuk, hogy egyértelmű viszony áll fenn a vezérlőjel és a lámpateljesítmény között a lámpateljesítmény teljes megkívánt beállítási értéktartományán keresztül, függetlenül a használt kisülő L_A lámpa típusától

A 4a. ábrán az S jel előállítására alkalmas részáramkört látunk. Itt az R_s érzékelő ellenálláson átfolyik a lámpaáram, valamint az R$ érzékelő ellenállás egyik vége földelve van. Ennek eredményeként egy a földhöz képesti u₃ feszültség van a 3 bemeneti pontnál, amely u₃ feszültség arányos a lámpaáram pillanatnyi értékével. Ennek a feszültségnek az időfüggvényét mutatja a 4b ábra. A 3 bemeneti pont egy V erősítő bemenetéhez van kapcsolva, ennek a feszültségnek a felerősítése érdekében. Ennek a V erősítőnek az egyik kimenete a felerősített feszültség egyenirányítására szolgáló VI egyenirányító bemenetére van kapcsolva, aminek a kimenete egy VII aluláteresztő szűrő bemenetére van kapcsolva. A VII aluláteresztő szűrő kimenetén jelenlévő jel arányos a lámpaáram amplitúdójával. A VII aluláteresztő szűrő kimenete a Vm. felületáteresztő szűrő bemenetéhez van kapcsolva. A vm felüláteresztő szűrő 4 kimeneténél egy - a 4c ábrán vázolt - u₄ jel van, amely lényegében egyenlő a VII aluláteresztő szűrő kimeneténél lévő jel váltakozó áramú komponensével. Az a u₄ jel igen alkalmas a 3. ábrán bemutatott, a találmány szerinti áramköri elrendezés kiviteli alakjában az S jel szerepére. Az u₄ jelet az idő függvényében a 4c ábra mutatja. A 3. ábrán bemutatott kiviteli alaknál használt S jel ezen alakjának egy fontos előnye az, hogy a lámpateljesítmény széles tartományon keresztül szabályozható, még aránylag kis környezetei hőmérsékleteknél is, függetlenül a kisülő L_A lámpa típusától.

Úgy találtuk, hogy egy 24 W névleges teljesítményű kompakt fénycsőnél a nyitó bekezdésben leírt áramköri elrendezés segítségével a lámpateljesítményét a névleges teljesítmény 10 és 25%-a közötti értékekre nem lehet beállítani úgy, hogy a vezérlőjel nem függjék az L_a lámpa által felvett teljesítmény aránylag gyors változásaitól. Ezt csak a találmányunkon alapuló, például a 2. vagy 3. ábrán bemutatott példa szerinti gyakorlati kiviteli alakokkal sikerült elérnünk.

Claims (4)

1. Áramköri elrendezés kisülő lámpák (L_A) táplálására, amelyben van:

- egy lámpacsatlakozó kapcsokat (Kj, K₂) tartalmazó terhelőág, (B)

- a terhelőághoz (B) kapcsolt, és a terhelőágban (B) f frekvenciával váltakozó áramot létrehozó, egy további ágat (A) és abban legalább egy váltakozóan vezető és nem vezető állapotú kapcsolóelemet (T_b T₂) tartalmazó DC-AC konverter, (D)

- egy a kapcsolóelemhez (T_b T₂) kapcsolt, és azt f frekvenciával változóan vezető és nem vezető állapotba vezérlő meghajtó áramkör, (E)

- egy a lámpaáramtól függő és az f frekvenciát befolyásoló vezérlőjelet előállító, és a meghajtó áramkörhöz (E) ezen vezérlőjellel kapcsolódó, továbbá a lámpához is hozzákapcsolt frekvenciavezérlő áramkör (C).

azzal jellemezve, hogy egy a kisülő lámpa (L_A) által felvett lámpateljesítmény gyors változását reprezentáló

HU 212 521 Β jelet (S) előállító részáramköre van, amelynek kimenete (4) a frekvenciavezérlő áramkör (C) kimeneti vezérlőjelét befolyásoló bemenetéhez van kapcsolva.

2. Az 1. igénypont szerinti áramköri elrendezés, azzal jellemezve, hogy a felvett lámpateljesítmény 5 gyors változását reprezentáló jelet (S) előállítású részáramkör egy a pillanatnyi lámpaárammal arányos jelet előállító részáramkör.

3. A 2. igénypont szerinti áramköri elrendezés, azzal jellemezve, hogy a felvett lámpateljesítmény gyors változását reprezentáló jelet (S) előállító részáramkör sorosan kapcsolt egyenirányító elemből (VI), aluláteresztő szűrőből (VII), és felüláteresztő szűrőből (VIII) áll, ebben a sorrendben.

4. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti áramköri elrendezés, azzal jellemezve, hogy a frekvenciavezérlő áramkör (C) el van látva egy a felvett lámpateljesítmény gyors változását reprezentáló jelet (S) egy a lámpaárammal arányos további jelre (R) szuperponáló additív elemmel (+), amely a frekvenciavezérlő áramkörben (C) levő áramforrás (Sj) és a további áramköri elem (IV) közé van kötve.