NL8800288A

NL8800288A - Voorschakelapparaat voor een fluorescentielamp.

Info

Publication number: NL8800288A
Application number: NL8800288A
Authority: NL
Original assignee: Nedap Nv
Priority date: 1988-02-08
Filing date: 1988-02-08
Publication date: 1989-09-01
Also published as: JPH01302698A; DE3903520A1; US4988920A; DE3903520C2

Description

% te»

Nedap N.V. - 1 -

Groenlo__

Voorschakelapparaat voor een fluorescentielamp

De uitvinding heeft betrekking op een hoogfrequent voorschakelapparaat dat dient on een gasontladingslamp te voeden. Meer in het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een voorschakelapparaat, dat dient om één of meer gasontladingslampen te voeden die het originele document 5 belichten in een kopieermachine, electronische documentscanner of vergelijkbaar apparaat. In een dergelijke toepassing waarbij de gasontla-dingslampen een groot aantal malen moeten kunnen worden in- en uitgeschakeld (bijvoorbeeld één miljoen maal), worden hoge eisen gesteld aan de stabiliteit van de lamphelderheid. Het is wenselijk dat direct na het 10 geven van een stuurcommando, bijvoorbeeld na 10 a 100 milliseconden, de lampen ontsteken en de gewenste helderheid aannemen. Hoogfrequent voorschakelapparaten zijn onder andere bekend uit de publicaties DE 3528549, USA 4,251,752, USA 4,286,195, DE 3248017, USA 4,087,722, EUR 0104264 en USA 3,657,598. In deze bekende voorschakelapparaten 15 wordt door middel van één of meer halfgeleiderschakelelementen, zoals transistoren of thyristoren, een ingangsspanning omgezet in een hoogfrequent spanning die aan één of meer gasontladingslampen wordt toe-gevoerd. Hierbij worden verschillende methoden toegepast om de stroom door de gasontladingslampen te begrenzen. In enkele gevallen wordt 20 tevens de helderheid van deze lampen geregeld door de duty-cycle van de schakelelementen te regelen of bursts hoog-frequent signaal aan de lampen toe te voeren. In geen van de bekende schakelingen wordt echter bijzondere aandacht besteed aan het ontsteekproces van de lamp, met name niet wat betreft de belasting van de lampgloeidraden tijdens 25 het ontsteken. Verder is in de praktijk gebleken, dat de bekende hel-derheidsregelschakelingen soms instabiliteiten vertonen, wat voor niet kritische toepassingen geen bezwaar behoeft te zijn, maar voor de genoemde toepassing in een kopieerapparaat ontoelaatbaar is.

Het doel van de uitvinding is de constructie mogelijk te maken van een 30 hoogfrequent voorschakelapparaat, waarbij van gloeidraden voorziene gasontladingslampen een groot aantal malen, in de grootte orde van één miljoen maal, kunnen worden in- en uitgeschakeld, terwijl tevens de stabi.li.teit van de lamphelderheid zeer goed is en over een groot bereik instelbaar is, bijvoorbeeld een faktor 30 in helderheid, en waarbij de 35 lampen zeer kort na het geven van een stuursignaal ontsteken en de gewenste helderheid bereiken, bijvoorbeeld na 10 tot 100 milliseconden.

Dit"doel wordt bereikt door gebruik te maken van een resonante omvormer, bestaande uit een lektransformator, waarbij aan de primaire zijde van deze transformator door middel van halfgeleiderschakelelementen 40 een rechthoekvormige of trapeziumvormige spanning wordt aangeboden, terwijl in bedrijf aan de secundaire hoofdwikkeling een resonantie-condensator parallel geschakeld is. Verder zijn aan de secundaire zijde van transformator hulpwikkelingen aangebracht die aangesloten worden op de gloeidraden van de te voeden lamp of lampen. In stand-by 45 bedrijf wordt de wikkeling die de lamp voedt, onderbroken, bijvoorbeeld door een relais, en kan tevens de resonantiecondensator worden afgeschakeld. Daarbij wordt dan de ingangspanning zo geregeld, dat de gloeidraden van de lamp of lampen zodanig verhit worden, dat de lamp of lampen enerzijds direct kunnen starten zonder dat hiervoor een hoge 50 spanning over de lamp nodig is en er geen materiaalemissie tijdens het starten optreedt, en dus geen slijtage en anderzijds geen onnodige slijtage van gloeidraden optreedt in stand-by bedrijf die de levensduur der lampen ontoelaatbaar zou bekorten.

.8800288 - 2 -

Verder wordt met behulp van een stroomtransformator en een sample- en hoIdschakeling de lampstroom gemeten. In bedrijf wordt de frequentie van de ingangsspanning zodanig geregeld, dat de lampstroom overeenkomt met de gewenste waarde. Deze gewenste lampstroomwaarde kan daarbij 5 weer worden bepaald door een circuit dat de lamphelderheid meet, en vergeleken met een gewenste lamphelderheid, zoals ingesteld door een instelorgaan, door de machinebesturing of iets dergelijks. Eventueel kan ook duty-cycle regeling worden toegepast.

De uitvinding zal in het hiernavolgende nader worden beschreven met 10 behulp van een uitvoeringsvoorbeeld en aan de hand van tekeningen, waarin worden getoond: fig. 1 Blokschema van een uitvoeringsvorm van het voorschakelapparaat volgens de uitvinding fig. 2 Vervangschema ter verklaring van de helderheidsregeling 15 fig. 3 Een alternatieve uitvoeringsvorm van het secundaire circuit fig. 4 Een uitvoeringsvorm van het secundaire circuit waarbij meerdere lampen kunnen worden aangesloten fig. 5 en 6 Alternatieve uitvoeringsvormen van het primaire circuit 20 Bij de uitvoeringsvorm volgens fig. 1, vormen transistoren 2 en 3 samen met goed met elkaar gekoppelde primaire wikkelingen 5 en 6 van transformator 7 een balansomvormer, waarbij genoemde schakeltransistoren worden aangestuurd door stuurschakeling 4. Als stuursignaal 28 stand-by bedrijf voorschrijft, verzorgt schakeling 27 het openen van contact 13 25 en via signaal 26 wordt stuurschakeling 4 in stand-by mode gehouden, waarbij transistoren 2 en 3 beurtelings met een vrij korte duty-cycle geleiden. De duty-cycle is zodanig ingesteld, dat de spanning geleverd door wikkelingen 9 en 10 aan de gloeidraden 17 en 18 van lamp 16 de gewenste effectieve spanningswaarde heeft.

30 Als via stuursignaal 28 inschakelen van de lamp of lampen wordt voorgeschreven, worden eerst schakeltransistoren 2 en 3 beide gesperd en sluit contact 13. Vervolgens worden schakeltransistoren 2 en 3 beurtelings in geleiding gebracht, met geleidelijk toenemende duty-cycle, totdat een duty-cycle van bijna vijftig procent voor elk der tran-35 sistoren is bereikt. De frequentie is hierbij ongeveer gelijk aan die v.an de slingerkring, gevormd door de lekzelfinductie van de transformator 7, betrokken op de secundaire wikkeling 8 en ten opzichte van primaire wikkelingen 5 en 6 en de resonantiecondensator 14. Het effect is nu dat de spanning over de lamp een sinusvorm met gelei-40 delijk toenemende amplitude heeft. De eerder genoemde onderbreking van de aansturing van transistoren 2 en 3 is zo kortstondig dat de gloeidraden van de lamp niet noemenswaardig afkoelen. Bij een bepaalde vrij lage spanning over de lamp komt de gasontlading op gang. Het is uit proeven gebleken, dat indien een gasontladingslamp op deze wijze 45 wordt ontstoken, een lamplevensduur van meer dan één miljoen maal in-en uitschakelen kan worden bereikt. De stroommeetschakeling geeft de gemeten lampstroom door aan vergelijkschakeling 24, die deze vergelijkt met de gewenste waarde van de lampstroom 23. Is de lampstroom te hoog, dan wordt via signaal 25 en stuurcircuit 4, de frequentie waarmee de 50 schakeltransistoren 2 en 3 worden geschakeld, verhoogd, bij gelijkblijvende duty-cycle van bijna vijftig procent. Het effect is dat door de filterwerking van de lekzelfinductie van de transformator en de resonantiecondensator 13 de lampstroom daalt.

.8800288

IK

- 3 -

De aanstuurfrequentie komt nu boven de resonantiefrequentie van de se-riekring, gevormd door deze lekzelfinductie en resonantiecondensator, te liggen, waardoor het filter een hoog af gedrag heeft. Het veranderen van de aanstuurfrequentie gaat door totdat de gewenste en de werkelijke waarde 5 van de lampstroom aan elkaar gelijk zijn. Hen moet zich hierbij realiseren dat de gasontladingslamp zich op de korte termijn (dat wil zeggen binnen één periode van de schakelfrequentie, die vijf tot vijftig microseconden kan duren) als een weerstandsbelasting voordoet.

Op wat langere termijn, die te maken heeft met de looptijd en recombi-10 natietijd van de ladingsdragers in het gas, een tijd in de grootte orde van 100 microseconden tot 1 milliseconde, vertoont de gasontla-dingslamp een negatieve karakteristiek. Het laatste betekent, dat als men de lamp met een kleinere stroom aanstuurt, de spanning over de lamp juist toeneemt.

15 Aan de hand van het vervangschema van fig. 2 wordt dit verder verduidelijkt. De spanningsbron 30 levert een blokvormige spanning met variabele frequentie, overeenkomend met de naar de secundaire getransformeerde spanning over wikkeling 5 en 6 van fig. 1. De zelfinduct ie 31 stelt de transformator lekzelfinductie voor betrokken op de 20 secundaire wikkeling. Capaciteit 15 komt overeen met condensator 14 uit figuur 1. Weerstand 33 stelt de belasting door de gasontladingslamp voor. De gloeidraadbelasting wordt in eerste instantie buiten beschouwing gelaten. De situatie bij vol vermogen is als volgt:

De frequentie van bron 30 is dan ongeveer gelijk aan de resonantie-25 frequentie van de kring gevormd door zelfinductie 31 en capaciteit 32.

Verder is de dimensionering zodanig, dat weerstand 33 eenzelfde waarde of enigszins lagere- waarde, tot een factor twee tot drie, heeft als de aboslute waarde van de impedantie van de zelfinductie 31 en capaciteit 32 bij de resonantiefrequentie. De kring is nu dus gedempt. Ver-30 hogen we vervolgens de frequentie van bron 30, dan neemt de impedantie van zelfinductie 31 toe, en wordt er dus minder stroom geleverd aan capaciteit 32 en weerstand 33. Na enige tijd neemt de weerstand 33 een hogere waarde aan, ten gevolge van de negatieve lampkarakteristiek.

Nu wordt de spanning over de lamp nog iets hoger en vloeit er nog 35 meer stroom door condensator 32 en minder door weerstand 33. De lamp-stroomregeling zorgt hierbij via een sample- en hoIdschakeling voor een stabiele regeling. Telkens op de maximumwaarde van de spanning over de weerstand 33 wordt de stroom gemeten met stroommeettransformator 19 en gesampled en vastgehouden in blok 24 uit fig. 1. Dit garandeert een snel-40 le en stabiele regeling. Deze snelle regeling is vooral van belang bij minimum lampstroom. Een kleine afname in lampspanning kan dan de lamp volledig doen doven, en een herstart met sterk verhoogde spanning nodig maken. De snelle regeling constateert een eventuele vermindering van de lampstroom binnen een cyclus van de schakelfrequentie en regelt 45 de lampspanning in de volgende schakelcyclus enigszins omhoog, zodat de gasontlading op gang blijft. De stroomtransformator 19 ligt om beide verbindingsleidingen naar één der lampelectroden, zodat de werkelijke lampstroom gemeten wordt en niet de gloeidraadstroom. Keren we nu terug naar fig. 1, dan blijkt dat de spanning over hulpwikkelingen 9 en 5010 toeneemt als de lampspanning toeneemt. Dit is bij de kleinste lamp-stroora het geval.

.8800288 4 - 4 -

De transformatieverhouding tussen de onderling goed gekoppelde wikkelingen 8, 9 en 10 is zo gekozen, dat bij de larapspanning die optreedt bij de minimum lampstroom, welke een factor honderd lager kan liggen dan de maximum lampstroom, de gloeidraden zoveel verhit worden, dat de 5 gasontlading stabiel blijft verlopen, ook bij oudere lampen, en anderzijds niet dermate sterk verhit worden, dat daardoor ernstige levensduur verkorting zou optreden.

Een andere regelmogelijkheid van de lampstroom wordt gecreëerd bij constante frequentie, door variatie van de duty-cycle van geleiding van 10 transistoren 2 en 3.

In wezen betekent dit dat dan de effectieve waarde van de wisselspanning van bron 20 in fig. 2 wordt veranderd. De hierbij ontstaande hogere harmo-nischen hebben weinig invloed, omdat het filter, gevormd door zelfinductie 31 en resonantiecapaciteit 15, een tweede orde laagdoorlaatfilter vormt.

15 Het is nu van belang, dat de spanning van bron 30 bij maximum duty-cycle van transistor 2 en 3 uit fig. 1 van 50%, hoger ligt dan de brandspanning van de lamp. Als nu de duty-cycle wordt verlaagd, vermindert de effectieve spanning van de bron 30 en daarmee wordt in eerste instantie de stroom door zelfinductie 31 ook lager. Vervolgens neemt de weerstandswaarde 20 van 33 toe ten gevolge van de negatieve lampkarakteristiek, en dus ook de spanning over deze weerstand. Terugkoppeling via stroommeettrans-formator 19 zorgt daarbij voor een stabiele regeling. Het zal duidelijk zijn, dat ook een combinatie van een duty-cycle en een frequentie-regeling mogelijk is.

25 In het algemeen zal de gewenste waarde 23 van de lampstroom worden verkregen uit het verschil tussen de gemeten waarde 20 van de lamphelderheid, en gewenste waarde 22, afkomstig van een instelorgaan of machinesturing,

Het vaststellen van de gemiddelde lamphelderheid kan echter niet ogenblikkelijk gebeuren, als gevolg van traagheden in de fluorescentielamp en 30 ook door overspraak van het hoogfrequent signaal van de lamp op de sensor. Als bijvoorbeeld een stabiele fotodiode wordt gebruikt als helderheids-sensor is het signaal vrij gering. Bovendien is de lamp vaak beweegbaar opgesteld in een copieerapparaat, waarbij uit productietechnische overwegingen de voorkeur wordt gegeven aan een flat cable voor de verbinding 35 tussen machine en wagen met lamp en lichtsensor. Het zal duidelijk zijn, dat er^dan een grotere overspraak optreedt tussen de hoogfrequent lamp-spahning en de niet afgeschermde verbindingsleiding van de lichtsensor, daar genoemde flat cable vijftig centimer lang kan zijn.

De lichtregeling kan echter vrij traag worden uitgevoerd, omdat de 40 lampstroomregeling 24 het stabiel blijven branden van de lampen garandeert. Hierdoor kan zonder bezwaar het wisselspanningssignaal uit het lichtfeedbacksignaal worden gefilterd.

Bij het overschakelen naar stand-by bedrijf wordt contact 13 weer geopend en wordt teruggeschakeld naar een lage duty-cycle. Desgewenst 45 kan de omvormer ook geheel worden afgeschakeld.

Fig. 3 toont een alternatieve uitvoeringsvorm van het secundaire circuit. Hier is de resonantiecondensator 14 uit fig. 1 vervangen door twee in serie geschakelde condensatoren 34 en 35, terwijl het knooppunt van de condensatoren aan massa is gelegd en verbonden met een 50 scherm of metalen reflector 36, die parallel aan de lamp 16 is opgesteld. Op deze wijze is een volledig symmetrische aansturing van de lamp gewaarborgd, waardoor ook de slijtage aan gloeidraden 17 en 18 gelijk zal zijn. De lamp kan bij een lagere spanning ontsteken, omdat door de werking van scherm 36, een hogere electrische veld-55 sterkte bij de electrode 17 en 18 optreedt.

.8800288 *· - 5 -

Fig. 4 toont een uitvoeringsvorm met twee lampen. De extra lamp 38 is in serie geschakeld met lamp 16. De uiteinden zijn op dezelfde wijze verbonden als in fig. 1. De wikkeling 8 moet nu echter de dubbele spanning leveren. Verder zijn de gloeidraden 36 en 18 met elkaar en met een 5 extra zwevende hulpwikkeling 39 verbonden. Deze schakeling laat zich verder uitbreiden waarbij steeds de niet aan de uiteinden liggende paren gloeidraden met elkaar en met een extra zwevende hulpwikkeling worden verbonden.

Fig. 5 toont een schakeling waarbij de primaire schakeling als een 10 zogenaamde volle brugschakeling is uitgevoerd. Transistoren 40 en 43 geleiden gelijktijdig, en op hetzelfde moment als 2 uit fig. 1, tran-sistoren 41 en 42 eveneens gelijktijdig en op hetzelfde moment als 3 uit fig. I.

Tenslotte is in fig. 6 een als halve brug uitgevoerde primaire scha-15 keling getoond. Hier is een extra koppelcondensator 44 toegevoegd.

Verder geleiden transistoren 2 en 3 op hetzelfde moment als de tran-sistoren in fig. 1.

* .8800288

Claims

1. Hoogfrequent voorschakelapparaat voor het voeden van een gasont-ladingslamp met twee gloeidraden gevoed uit een gelijkspanningsbron en voorzien van halfgeleiderschakelelementen en stuurmiddelen voor deze halfgeleiderschakelelementen, waarbij de halfgeleiderschakel- 5 elementen de primaire zijde van een hoogfrequent transformator met een symmetrisch wisselspanningssignaal aansturen door beurtelings de afwisselende polen van de gelijkspanningsbron met de transformatorwikkeling te verbinden of door de twee uiteinden van een balanswikkeling beurtelings met één pool van de gelijkspannings- 10 bron te verbinden, terwijl de andere pool met de middenaftakking is verbonden, terwijl aan de secundaire zijde een hoofdwikkeling is aangebracht voor het voeden van de gasontladingslamp en twee hulpwikkelingen voor het voeden van de gloeidraden der gasontla-dingslamp, met het kenmerk dat de transformator een lektransformator 15 is, en dat parallel met de secundaire hoofdwikkeling een resonantie-capaciteit is aangebracht.

2. Voorschakelapparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de gloeidraden der gasontladingslamp in de stand-by mode worden voorverhit door de secundaire hulpwikkelingen, waarbij de verbinding 20 van de gasontladingslamp met de secundaire hoofdwikkeling op tenminste één punt is onderbroken.

3. Voorschakelapparaat volgens conclusie 2, met het kenmerk dat bij het overgaan van de stand-by mode naar normaal bedrijf, de halfgeleiderschakelelementen eerst volledig worden gesperd, vervolgens 25 de verbinding tussen de secundaire hoofdwikkeling en de gasont-ladingslamp tot stand wordt gebracht, en daarna de halfgeleiderschakelelementen aan primaire zijde beurtelings in geleiding worden gebracht met geleidelijk toenemende duty-cycle, en met een frequentie die ongeveer gelijk is aan of enigszins lager is dan 30 de resonantiefrequentie van de kring gevormd door de lekzelfinduc-tie, van de secundaire hoofdwikkeling, ten opzichte van de primaire wikkeling of wikkelingen en de secundaire resonantiecapaciteit.

4. Voorschakelapparaat volgens één der voorafgaande conclusies, met het kenmerk dat de werkelijke waarde van de lampstroom gemeten 35 wordt met behulp van een stroomtransformator, en wordt vergeleken met een gewenste waarde van de lampstroom, en dat een verschil-waardebepaler een signaal geeft aan de stuurmiddelen voor de primaire halfgeleiderschakelelementen waardoor de schakelfrequentie hiervan of de duty-cycle of zowel de schakelfrequentie als de duty- 40 cycle zodanig beïnvloed worden, dat de gewenste lampstroom wordt bereikt.

4 - 6 -

5. Voorschakelapparaat volgens conclusie 4, met het kenmerk dat na de stroommeettransformator een sample- en hoIdschakeling is aangebracht, die telkens op of nabij de positieve of negatieve topwaarde van de 45 spanning over de secundaire hoofdwikkeling een sample neemt van het signaal op de stroomtransformator en dit signaal vasthoudt tot de volgende topwaarde, waarbij dit laatste signaal wordt gebruikt als werkelijke waarde van de lampstroom. .8800288 z - 7 -

6. Voorschakelapparaat volgens conclusie 4 of 5, met het kenmerk dat de werkelijke lamphelderheid wordt gemeten met een sensor en wordt vergeleken met een gewenste lamphelderheid, en dat een verschil-waardebepaler is aangebracht, die op grond van het gemeten ver- 5 schil de gewenste waarde van de lampstroom zodanig beïnvloedt, dat de gewenste waarde der lamphelderheid wordt bereikt.

7. Voorschakelapparaat volgens één der voorafgaande conclusies, met het kenmerk dat meerdere gasontladingslampen worden gevoed, die in serie zijn geschakeld, en waarbij de secundaire hoofdwikkeling ver-bonden is met de beide uiteinden van de in serie geschakelde lamp-keten, terwijl alle gloeidraden door afzonderlijke hulpwifckelingen worden gevoed. * .8800288