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Technisches
Gebiet
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Die Erfindung geht aus von einer
Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um eine Schaltungsanordnung
zum Betrieb von Entladungslampen, die sog. Ladungspumpen zur Reduzierung
von Netzstrom-Oberschwingungen.
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Schaltungsanordnungen zum Start und
Betrieb von Entladungslampen kommen in elektronischen Betriebsgeräten für Entladungslampen
zum Einsatz. Unter dem Start der Entladungslampe wird im folgenden
zumindest die Zündung
während
einer Zündphase
verstanden. Es kann aber auch eine Vorheizung von Elektrodenwendeln
während
einer Vorheizphase der Zündphase
vorangehen. Falls die Betriebsgeräte an einer Netzspannung betrieben
werden, unterliegen sie einschlägigen
Vorschriften bezüglich
Netzstrom-Oberschwingungen, z. B. IEC 1000-3-2. Damit diese Vorschriften
eingehalten werden, sind schaltungstechnische Maßnahmen zur Reduzierung von
Netzstrom-Oberschwingungen nötig. Eine
derartige Maßnahme
ist der Einbau sog. Ladungspumpen. Der Vorteil von Ladungspumpen
besteht im geringen schaltungstechnischen Aufwand, der für deren
Realisierung nötig
ist.
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Schaltungsanordnungen zum Betrieb
von Entladungslampen, die an einer Netzspannung betrieben werden
enthalten im allgemeinen folgende Elemente:
- – einen
Gleichrichter zur Gleichrichtung der Netzspannung
- – einen
Hauptenergiespeicher
- – einen
Wechselrichter, der Energie aus dem Hauptenergiespeicher bezieht
und an einem Wechselrichterausgang eine Wechselrichterspannung zur
Verfügung
stellt, die eine Wechselrichterfrequenz aufweist, die wesentlich
höher ist
als die Netzfrequenz
- – ein
Anpassnetzwerk, über
das Entladungslampen mit dem Wechselrichterausgang gekoppelt werden
können
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Wird der Hauptenergiespeicher direkt
aus dem Gleichrichter geladen, so entstehen Ladestromspitzen, die
zu einer Verletzung der besagten Vorschriften führen.
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Die Topologie einer Ladungspumpe
beinhaltet, dass der Gleichrichter über einen elektronischen Pumpschalter
mit dem Hauptenergiespeicher gekoppelt ist. Dadurch entsteht zwischen
dem Gleichrichter und dem elektronischen Pumpschalter ein Pumpknoten.
Der Pumpknoten ist über
ein Pumpnetzwerk mit dem Wechselrichterausgang gekoppelt. Das Pumpnetzwerk
kann Bauteile enthalten, die zugleich dem Anpassnetzwerk zugeordnet
werden können.
Das Prinzip der Ladungspumpe besteht darin, dass während einer
Halbperiode der Wechselrichterfrequenz über den Pumpknoten Energie
der Netzspannung entnommen und im Pumpnetzwerk zwischengespeichert
wird. In der darauf folgenden Halbperiode der Wechselrichterfrequenz
wird die zwischengespeicherte Energie über den elektronischen Pumpschalter
dem Hauptenergiespeicher zugeführt.
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Der Netzspannung wird demnach Energie
im Takt der Wechselrichterfrequenz entnommen. Im allgemeinen enthält das elektronische
Betriebsgerät Filterschaltungen,
die Spektralanteile des Netzstroms unterdrücken, die bei der Wechselrichterfrequenz
oder darüber
liegen. Die Ladungspumpe kann so ausgelegt werden, dass die Oberschwingungen des
Netzstroms so gering sind, dass besagte Vorschriften eingehalten
werden. Folgende Schriften beschreiben ausführlich Ladungspumpen für elektronische
Betriebsgeräte
für Entladungslampen: Qian
J., Lee F.C., Yamauchi T.: "Analysis,
Design and Experiments of a High-Power-Factor
Electronic Ballast", IEEE
Transactions on Industry Applications, Vol. 34, No. 3, May/June
1998
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Qian J., Lee F.C., Yamauchi T.:"New Continuous Current
Charge Pump Power-Factor-Corretion Electronic
Ballast", IEEE Transactions
on Industry Applications, Vol. 35, No. 2, March/April 1999
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In der Schrift
EP 0 621 743 (Mattas) ist eine Schaltungsanordnung
zum Betrieb einer Entladungslampe beschrieben, die eine Ladungspumpe
enthält. Sie
weist zusätzlich
einen Regler auf, der eine Modulation der Wechselrichterfrequenz
mit der doppelten Netzfrequenz bewerkstelligt. Damit wird die Aufgabe gelöst, den
Crest-Faktor des Lampenstroms, mit dem die Entladungslampe beaufschlagt
wird, zu verbessern. Damit wird die Lebensdauer der Lampen erhöht.
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Das o. g. Anpassnetzwerk enthält einen
Resonanzkreis, der im wesentlichen einen Resonanzkondensator und
eine Lampendrossel enthält.
Der Resonanzkreis weist eine Resonanzfrequenz auf, die ohne Dämpfung des
Resonanzkreises bei einer Eigenfrequenz des Resonanzkreises liegt.
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Zur Zündung der Entladungslampe wird
der Wechselrichter zunächst
bei einer Wechselrichterfrequenz betrieben, die über der Eigenfrequenz liegt.
In einer Zündphase
wird die Wechselrichterfrequenz abgesenkt, bis in der Nähe der Eigenfrequenz
der Resonanzkreis eine hohe Spannung an der Entladungslampe erzeugt
und die Entladungslampe zündet.
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Dabei tritt folgendes Problem auf:
Vor der Zündung
der Entladungslampe gibt es einerseits in der Schaltungsanordnung
keinen wesentlichen Energieverbraucher. Anderseits arbeitet die
Ladungspumpe und deponiert laufend Energie im Hauptenergiespeicher.
Dadurch entsteht ein Ungleichgewicht zwischen aufgenommener und
abgegebener Energie der Schaltungsanordnung. Falls die Entladungslampe
nicht rechtzeitig zündet,
führt dies
entweder zur Zerstörung
des Hauptenergiespeichers oder zur Abschaltung der Schaltungsanordnung,
falls dafür
Abschaltmittel bereitgestellt werden.
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Im Stand der Technik führt dies
zu einem Optimierungsproblem für
die Wahl der Wechselrichterfrequenz während der Zündphase: Auf der einen Seite
soll die Zeit, in der das besagte Energieungleichgewicht herrscht
kurz sein. Dies erreicht eine hohe Zündspannung, die eine Wechselrichterfrequenz nahe
der Eigenfrequenz verlangt. Auf der anderen Seite soll das Energieungleichgewicht
möglichst
gering sein, damit die Zeit bis zur Überlastung des Hauptenergiespeichers
und damit die Zündphase möglichst
lange sein kann. Dies ist für
eine zuverlässige
Zündung
der Entladungslampe wünschenswert, verlangt
aber eine Wechselrichterfrequenz, die möglichst weit über der
Eigenfrequenz liegt. Die Optimierungsaufgabe wird dadurch erschwert,
dass äußere Umstände, wie
z. B. die Zündeigenschaften
der Entladungslampe, Umgebungstemperatur und Bauteiletoleranzen,
Einfluss darauf haben.
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Im Stand der Technik gibt es zwei
Lösungen für das Problem:
Entweder wird eine unzuverlässige Zündung der
Entladungslampe in Kauf genommen, oder Bauelemente wie Hauptenergiespeicher
und Lampendrossel werden überdimensioniert
und damit teuer und voluminös.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Schaltungsanordnung zum Start und Betrieb von Entladungslampen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bereitzustellen, die eine zuverlässige und kostengünstige Zündung der
Lampe bewerkstelligt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung
zum Start und Betrieb von Entladungslampen 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.
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Im Stand der Technik
EP 0 621 743 (Mattas) ist ein Regler
beschrieben der einen ersten Reglereingang aufweist. Diesem ersten
Reglereingang wird eine elektrische Größe zugeführt, die einer ersten Betriebsgröße einer
an Lampenklemmen betriebenen Entladungslampe entspricht.
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Erfindungsgemäß besitzt der Regler einen zweiten
Reglereingang. Dem zweiten Reglereingang wird eine zweite elektrische
Größe zugeführt, die
einer zweiten Betriebsgröße entspricht,
die ein Maß für die Blindenergie
ist, die im Resonanzkreis schwingt. Erfindungsgemäß wird die
zweite elektrische Größe dem zweiten
Reglereingang über
einen Schwellwertschalter zugeführt.
Für den
Fall, dass der Wert der zweiten elektrischen Größe den Schwellwert des Schwellwertschalter überschreitet,
wird die Wechselrichterfrequenz erhöht.
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Durch die Wahl des Schwellwerts und
der Frequenzerhöhung
kann eingestellt werden wie groß das
Energieungleichgewicht in der Ladungspumpe maximal werden kann.
Erfindungsgemäß kann damit bei
optimaler Ausnutzung der Bauelemente eine maximale Zündspannung
erreicht werden. Damit ist eine zuverlässige Zündung von Entladungslampen
auch mit kostengünstigen
Bauelementen möglich.
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Im folgenden soll die Erfindung anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild für
eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zum Start und Betrieb von Entladungslampen,
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2 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zum Start und Betrieb von Entladungslampen.
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Im folgenden werden Widerstände durch
den Buchstaben R, Transistoren durch den Buchstaben T, Spulen durch
den Buchstaben L, Verstärker
durch den Buchstaben A, Dioden durch den Buchstaben D, Knotenpotenziale
durch den Buchstaben N und Kondensatoren durch den Buchstaben C
jeweils gefolgt von einer Zahl bezeichnet. Auch werden im folgenden
für gleiche
und gleichwirkende Elemente der verschiedenen Ausführungsbeispiele
durchweg gleiche Bezugszeichen verwendet.
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Bevorzugte
Ausführung
der Erfindung
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In 1 ist
ein Blockschaltbild für
eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zum Start und Betrieb von Entladungslampen dargestellt. An Anschlussklemmen
J kann eine Netzspannung aus einer Netzspannungsquelle der Schaltungsanordnung zugeführt werden.
Die Netzspannung wird zunächst in
einen Block FR eingespeist. Zum einen enthält dieser Block bekannte Mittel
zum Filtern von Störungen. Zum
anderen enthält
dieser Block einen Gleichrichter, der die Netzspannung, die eine
Wechselspannung ist, gleichrichtet. Üblicherweise wird dafür ein Vollweggleichrichter
in Brückenschaltung
verwendet. Wichtig für
die Funktion einer in der Schaltungsanordnung realisierten Ladungspumpe
ist die Eigenschaft des Gleichrichters, dass er keinen Strom zulässt, der
einen Energiefluss von der Schaltungsanordnung zur Netzspannungsquelle
zulässt.
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Die gleichgerichtete Netzspannung
wird einem elektronischen Pumpschalter UNI zugeführt, wobei an der Verbindungsstelle
zwischen Gleichrichter FR und elektronischem Pumpschalter UNI ein Pumpknoten
N1 entsteht. Im einfachsten Fall besteht der elektronische Pumpschalter
UNI aus einer Pumpdiode, die nur einen Stromfluss erlaubt, der vom Pumpknoten
N1 zur Pumpdiode fließt.
Es ist aber auch möglich
einen beliebigen elektronischen Schalter, wie z. B. einen MOSFET,
für den
elektronischen Pumpschalter UNI einzusetzen, der die Funktion der Pumpdiode
erfüllt.
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Der Strom, den der elektronische
Pumpschalter UNI durchlässt,
speist einen Hauptenergiespeicher STO. Meist ist der Hauptenergiespeicher STO
als Elektrolytkondensator ausgeführt.
Es sind jedoch auch andere Arten von Kondensatoren möglich. Prinzipiell
ist auch die zum Kondensator duale Form der Energiespeicherung möglich. Im
dualen Fall ist der Hauptenergiespeicher STO als Spule ausgeführt. Wegen
der geringeren Kosten und des besseren Wirkungsgrads wird ein Kondensator
als Hauptenergiespeicher STO bevorzugt.
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Es gibt auch Ausführungen von Ladungspumpen mit
mehreren sog. Pumpzweigen. Dabei werden mehrere, elektronische Pumpschalter
UNI, parallel geschaltet. Dadurch entstehen mehrere Pumpknoten N1.
Zur gegenseitigen Entkopplung der Pumpknoten, ist jeweils zwischen
Gleichrichter und Pumpknoten eine Diode geschaltet. Ein Ausführungsbeispiel
mit zwei Pumpzweigen ist in 2 dargestellt.
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Der Hauptenergiespeicher STO stellt
seine Energie einem Wechselrichter INV zur Verfügung. Der Wechselrichter INV
erzeugt eine Wechselgröße, meist
eine Wechselspannung, die einem Block zugeführt wird, der mit MN und PN
bezeichnet ist. MN bezeichnet die Funktion des Blocks als Anpassnetzwerk.
Bezüglich
dieser Funktion ist der Block MN/PN mit einer Entladungslampe L
verbindbar. PN bezeichnet die Funktion des Blocks als Pumpnetzwerks.
Bezüglich
dieser Funktion ist der Block MN/PN mit dem Pumpknoten N1 verbunden.
Die Verbindungslinie zwischen dem Pumpknoten N1 und dem Block MN/PN
ist in 1 auf beiden
Enden mit einem Pfeil versehen. Dadurch soll angedeutet werden,
dass Energie abwechselnd vom Pumpknoten N 1 zum Block MN/PN und
zurück
fließt.
Die Funktionen des Anpassnetzwerks und des Pumpnetzwerks sind im Block
MN/PN zusammengefasst weil Ausführungsformen
der Erfindung möglich
sind, bei denen einzelne Bauteile sowohl der einen als auch der
anderen Funktion zugeordnet werden können.
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Zur Regelung einer gewünschten
ersten Betriebsgröße ist ein
Regler CONT vorgesehen der über
eine Stellgröße auf den
Wechselrichter INV einwirkt. Damit wird ein Parameter der vom Wechselrichter
abgegebenen Wechselgröße, z. B.
die Betriebsfrequenz oder die Pulsweite, so verändert, dass einer Veränderung
der ersten Betriebsgröße entgegengewirkt
wird. Die erste Betriebsgröße wird
einem ersten Eingang des Reglers über die Verbindung B1 zugeführt. Bei
der ersten Betriebsgröße handelt
es sich um eine Größe, die
den Betrieb der Lampe bestimmt. Deshalb entspringt in 1 die Verbindung B1 dem
Block für
die Entladungslampe L. Beispielsweise handelt es sich bei der ersten
Betriebsgröße um den
Lampenstrom oder die Lampenleistung. Diese Größen müssen nicht direkt an der Entladungslampe
L erfasst werde, sondern können
auch dem Block MN/PN entnommen werden.
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Erfindungsgemäß besitzt der Regler CONT einen
zweiten Eingang. Über
einen Schwellwertschalter TH wird dem zweiten Eingang eine zweite Betriebsgröße zugeführt. Die
zweite Betriebsgröße ist erfindungsgemäß ein Maß für die Blindenergie
die in einem Resonanzkreis schwingt, der im Block MN/PN enthalten
ist. Der Ab griff der zweiten Betriebsgröße mittels der Verbindung B2
erfolgt deshalb am Block MN/PN. Es ist aber auch möglich ein
Maß für die besagte
Blindenergie aus Lampenbetriebsgrößen, wie z. B. der Lampenspannung
zu gewinnen.
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Zum Zünden der Entladungslampe L
wird im Resonanzkreis Blindenergie aufgebaut. Die Blindenergie gibt
Auskunft über
das Energieungleichgewicht der Ladungspumpe und die Belastung von
Bauteilen. Überschreitet
die zweite Betriebsgröße die Schwelle des
Schwellwertschalters, so wird erfindungsgemäß über den Regler CONT der Wechselrichter
derart beeinflusst, dass die Blindenergie nicht weiter steigt. Dies
kann dadurch geschehen, dass die Betriebsfrequenz des Wechselrichters
INV angehoben wird. Der Regler CONT kann einen Addierer enthalten,
der die an den Reglereingängen
anliegenden Signale addiert. Es muss sicher gestellt sein, dass
das Signal am ersten Regelereingang das Signal am zweiten Reglereingang
nicht klemmt. Übersteigt
das Signal am zweiten Reglereingang das Signal am ersten Regelereingang,
so muss das Signal am zweiten Reglereingang das maßgebliche
Reglersignal sein.
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In 2 ist
ein Ausführungsbeispiel
für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zum Start und Betrieb von Entladungslampen dargestellt.
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An den Anschlüssen J1 und J2 ist eine Netzspannung
anschließbar. Über ein
Filter, bestehend aus zwei Kondensatoren C1, C2 und zwei Spulen
L1, L2, wird die Netzspannung einem Vollbrückengleichrichter bestehend
aus den Dioden D1, D2, D3, D4 zugeführt. Der Vollbrückengleichrichter
stellt an seinem positiven Ausgang, einem Knoten N21, bezüglich einem
Bezugsknoten NO die gleichgerichtete Netzspannung bereit.
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Über
die Dioden D5 und D6 wird die gleichgerichtete Netzspannung zwei
Pumpknoten N22 und N23 zugeführt.
Das Ausführungsbeispiel
in 2 besitzt demnach
zwei Pumpzweige. Um die Pumpzweige gegeneinander zu entkoppeln sind
die Dioden D5 und D6 nötig.
Bei nur einem Pumpzweig kann ein Pumpknoten direkt mit dem Gleichrichterausgang, dem
Knoten 21, verbunden werden. Dabei ist jedoch zu beachten,
dass die im Gleichrichter verwendeten Dioden schnell genug schalten
können,
um der Wechselrichterfrequenz zu folgen. Falls dies nicht der Fall
ist, muss auch bei nur einem Pumpzweig eine schnelle Diode zwischen
Gleichrichterausgang und Pumpknoten geschaltet werden. Im Ausführungsbeispiel
in 2 sind die Pumpknoten
mit dem positiven Ausgang des Gleichrichters gekoppelt. Aus der
Literatur sind auch Ladungspumpen-Topologien bekannt, bei denen
Pumpknoten mit dem negativen Ausgang des Gleichrichters gekoppelt
sind.
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Von den Pumpknoten N22 und N23 führt jeweils
ein elektronischer Pumpschalter, die als Dioden D7 und D8 ausgeführt sind,
zum Knoten N24. Zwischen N24 und NO ist der Hauptenergiespeicher,
der als Elektrolytkondensator C3 ausgeführt ist, geschaltet.
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C3 speist den Wechselrichter, der
als Halbbrücke
ausgeführt
ist. Es sind jedoch auch andere Wandlertopologien wie z. B. Sperrwandler
oder Vollbrücke
einsetzbar. Vorteilhaft wird für
Lampenleistungen zwischen SW und 300W eine Halbbrücke eingesetzt,
da sie die kostengünstigste
Topologie darstellt.
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Im wesentlichen besteht die Halbbrücke aus einer
Serienschaltung zweier Halbbrückentransistoren
T1 und T2 und einer Serienschaltung zweier Koppelkondensatoren C4
und C5. Beide Serienschaltungen sind parallel zu C3 geschaltet.
Ein Verbindungsknoten N25 der Halbbrückentransistoren und ein Verbindungsknoten
N26 der Koppelkondensatoren bilden den Wechselrichterausgang an
dem eine rechteckförmige
Wechselrichterspannung mit einer Wechselrichterfrequenz anliegt.
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Zwischen N25 und einem Lampenspannungsknoten
N27 ist eine Lampendrossel L3 geschaltet. An N27 ist der Anschluss
J3 geschaltet, an dem im Ausführungsbeispiel
die Serienschaltung zweier Entladungslampen Lp1 und Lp2 geschaltet ist.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch mit einer oder mehreren
Lampen ausführbar.
Der Strom durch die Entladungslampen Lp1 und Lp2 fließt über einen
Anschluss J8, durch eine Wicklung W1 eines Messtransformators zum
Knoten N26. Im wesentlichen wird damit die Wechselrichterspannung
an eine Serienschaltung zweier Entladungslampen Lp1, Lp2 und der
Lampendrossel L3 angelegt.
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Der in J3 eingespeiste Strom fließt nicht
nur durch die Gasentladung der Entladungslampen Lp1, Lp2 sondern
auch durch eine äußere Wendel
der ersten Entladungslam pe Lp 1 zu einem Anschluss J4. Von dort
weiter durch eine Wicklung W4 eines Heiztransformators, weiter durch
einen variablen Widerstand R1, weiter durch eine Wicklung W3 des
Messtransformators zum Anschluss J7. Am Anschluss J7 ist eine äußere Wendel
der zweiten Entladungslampe Lp2 angeschlossen, deren anderes Ende
zum Anschluss J8 führt.
Zwei innere Wendeln der Entladungslampen Lp1 und Lp2 sind jeweils über die
Anschlüsse
J5 und J6 mit der Wicklung W5 des Heiztransformators verbunden.
Durch die in diesem Absatz beschrieben Anordnung bewirkt die Wechselrichterspannung
nicht nur einen Strom durch die Gasentladung der Entladungslampen
Lp1, Lp2 sondern auch einen Heizstrom durch die äußeren Wendeln und über den
Heiztransformator auch einen Heizstrom durch die inneren Wendeln
der Entladungslampen Lp1, Lp2. Soll nur eine Entladungslampe betrieben
werden, so kann der Heiztransformator entfallen.
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Der Heizstrom wird im wesentlichen
vor der Zündung
der Entladungslampen Lp1, Lp2 während einer
Vorheizphase als Vorheizstrom für
die Vorheizung der Wendeln benötigt.
Den Wert des Heizstroms bestimmt wesentlich der variable Widerstand R1.
Während
der Vorheizphase ist der Wert von R1 so gering, dass ein durch Lampendaten
vorgegebener Heizstrom erreicht wird. Nach der Vorheizphase erhöht sich
der Wert von R1, so dass im Vergleich zum Strom durch die Gasentladung
der Entladungslampen Lp1, Lp2 vernachlässigbarer Heizstrom fließt. Im Ausführungsbeispiel
ist R1 durch einen sog. PTC oder Kaltleiter realisiert. Dabei handelt
es sich um einen Widerstand der im kalten Zustand einen geringen
Widerstand aufweist. Durch den Heizstrom wird der Kaltleiter aufgeheizt,
wodurch sein Widerstandswert steigt. R1 kann auch durch einen elektronischen
Schalter realisiert werden, der in der Vorheizphase geschlossen
und danach geöffnet
ist. In Serie zu diesem Schalter kann ein Widerstand mit konstantem
Widerstandswert geschaltet sein. Damit ist ein schneller Übergang
von der Vorheizphase zur Zündphase
möglich.
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Durch die beschriebene Anordnung
zum Vorheizen der Wendeln ist während
der Vorheizphase durch Dämpfung
die Resonanzfrequenz eines im nächsten
Abschnitt beschrieben Resonanzkreises geringer als dessen Eigenfrequenz.
Vorteilhaft wird während
der Vorheizphase eine Wechselrichterfrequenz gewählt, die unter der Ei genfrequenz
liegt, damit sich ein hoher Heizstrom und damit eine kurze Vorheizphase
ergibt.
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Der Lampenspannungsknoten N27 ist über einen
ersten Resonanzkondensator C6 mit dem Pumpknoten N23 verbunden.
Zwischen N23 und NO ist ein zweiter Resonanzkondensator C7 geschaltet. C6
und C7 bilden mit der Lampendrossel L3 einen Resonanzkreis. Zur
Festlegung der Eigenfrequenz des Resonanzkreises, wird C6 und C7
in Serie geschaltet betrachtet. Der wirksame Kapazitätswert von C6
und C7 bezüglich
der Eigenfrequenz ist somit der Quotient aus dem Produkt und der
Summe der Kapazitätswerte
von C6 und C7. Wird der Resonanzkreis nahe seiner Eigenfrequenz
angeregt, so entsteht über
den Lampen eine Zündspannung,
die zur Zündung
der Entladungslampen führt.
Nach der Zündung wirkt
L3 zusammen mit C6 und C7 als Anpassnetzwerk, das eine Ausgangsimpedanz
des Wechselrichters in eine zum Betrieb der Entladungslampen nötige Impedanz
transformiert.
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Durch die Verbindung von C6 und C7
mit dem Pumpknoten N23 wirkt die Kombination von L3, C6 und C7 jedoch
nicht nur als Resonanzkreis und Anpassnetzwerk, sonder gleichzeitig
als Pumpnetzwerk. Ist das Potenzial an N23 niedriger als die momentane
Netzspannung, so bezieht das Pumpnetzwerk L3,C6,C7 Energie aus der
Netzspannung. Übersteigt
das Potenzial an N23 die Spannung am Hauptenergiespeicher C3, so
wird die von der Netzspannung aufgenommene Energie an C3 abgegeben.
Durch die Wahl des Verhältnisses
der Kapazitätswerte
von C6 und C7 kann die Wirkung des Netzwerks L3, C6, C7 als Pumpnetzwerk
abgeglichen werden. Je größer der
Kapazitätswert
von C7 gewählt
wird, desto geringer ist die Wirkung des Netzwerks L3, C6, C7 als
Pumpnetzwerk.
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Eine weitere Pumpwirkung geht von
einem Kondensator C8 aus, der zwischen N23 und den Verbindungsknoten
N25 der Halbbrückentransistoren T1,T2
geschaltet ist. Auch C8 wirkt nicht nur als Pumpnetzwerk, sondern
erfüllt
gleichzeitig die Aufgabe eines Snubber-Kondensators. Snubber-Kondensatoren
sind allgemein als Maßnahme
zur Schalterentlastung in Wechselrichtern bekannt.
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Das Pumpnetzwerk für den zweiten Pumpzweig
besteht aus der Serienschaltung einer Pumpdrossel L4 und eines Pumpkondensators
C9. Dieses Pumpnetzwerk ist zwischen den Verbindungsknoten N25 der
Halbbrückentransistoren T1,T2
und den Pumpknoten N22 geschaltet. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel
werden zwei Pumpzweige verwendet, damit die gepumpte Energie auf
mehrere Bauteile aufgeteilt wird. Damit ist eine kostengünstigere
Dimensionierung der Bauteile möglich.
Auch erhält
man dadurch einen Freiheitsgrad bei der Auslegung der Abhängigkeit
der gepumpten Energie von Betriebsparametern der Entladungslampen.
Die Erfindung ist jedoch auch mit nur einem Pumpzweig realisierbar.
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Die Halbbrückentransistoren T1, T2 sind
als MOSFET ausgelegt. Auch andere elektronische Schalter können dafür eingesetzt
werden. Zur Ansteuerung der Gates von T1 und T2 ist im Ausführungsbeispiel
ein integrierter Schaltkreis IC1 vorgesehen. IC1 ist im vorliegenden
Beispiel ein Schaltkreis der Firma International Rectifier vom Typ IR2153.
Es sind auch alternative Schaltkreise zu diesem Typ auf dem Markt
erhältlich;
z. B. L6571 der Firma STM. Der Schaltkreis IR2153 enthält einen
sog. High-Side-Treiber mit dem auch der Halbbrückentransistor T1 angesteuert
werden kann, obwohl er keinen Anschluss am Bezugspotenzial NO hat.
Dazu sind eine Diode D 10 und ein Kondensator C 10 nötig.
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Die Betriebsspannungsversorgung des
IC1 erfolgt über
den Anschluss 1 des IC1. In 2 ist dazu
eine Spannungsquelle VCC zwischen Anschluss 1 des IC 1
und NO vorgesehen. Es sind allgemein mehrere Möglichkeiten bekannt, wie diese Spannungsquelle
VCC realisiert werden kann. Im einfachsten Fall kann das IC über einen
Widerstand von der gleichgerichteten Netzspannung versorgt werden.
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Außer den Treiberschaltungen
für die
Halbbrückentransistoren
enthält
das IC 1 einen Oszillator, dessen Schwingfrequenz über die
Anschlüsse 2 und 3 eingestellt
werden kann. Die Schwingfrequenz des Oszillators entspricht der
Wechselrichterfrequenz. Zwischen den Anschlüssen 2 und 3 ist
ein frequenzbestimmender Widerstand R3 geschaltet. Zwischen Anschluss 3 und
NO ist die Serienschaltung eines frequenzbestimmenden Kondensators
C11 und der Emitter-Kollektor-Strecke eines Bipolartransistors T3 geschaltet.
Parallel zur Emitter-Kollektor-Strecke von T3 ist eine Diode D9
geschaltet, damit C11 ge- und entladen werden kann. Durch eine Spannung
zwischen dem Basisanschluss von T3 und NO kann die Wechselrichterfrequenz
eingestellt werden und bildet somit eine Stellgröße für einen Regelkreis. Der Basisanschluss
von T3 ist mit einem Stellgrößenknoten N28
verbunden. T3, IC1 und deren Beschaltung kann somit als Regler aufgefasst
werden.
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Die Funktionen des IC1 und dessen
Beschaltung können
auch realisiert werden durch einen beliebigen spannungs- oder stromgesteuerten
Oszillator, der über
Treiberschaltungen die Ansteuerung der Halbbrückentransistoren bewerkstelligt.
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Der Regelkreis im Ausführungsbeispiel
erfasst als Regelgröße den Strom
durch die Gasentladung der Entladungslampen Lp1, Lp2. Dazu besitzt der
Messtransformator eine Wicklung W2. Der Wickelsinn im Messtransformator
ist so ausgelegt, dass von einem Gesamtstrom in Wicklung W1 der
Heizstrom in Wicklung W3 abgezogen wird, so dass in Wicklung W2
ein Strom fließt,
der dem Strom durch die Gasentladung der Entladungslampen Lp1, Lp2 proportional
ist. Ein Vollbrückengleichrichter
gebildet durch Dioden D11, D12, D13 und D14 richtet den Strom durch
Wicklung W2 gleich und führt
ihn über einen
niederohmigen Messwiderstand R4 auf NO. Der Spannungsabfall an R4
ist somit ein Maß für den Strom
durch die Gasentladung der Entladungslampen Lp1, Lp2. Über einen
Tiefpass zur Mittelwertbildung, der durch einen Widerstand R5 und
einen Kondensator C13 gebildet wird, gelangt der Spannungsabfall
an R4 an den Eingang eines nicht invertierenden Messverstärkers.
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Der Messverstärker wird in einer bekannten Weise
durch einen Operationsverstärker
AMP und die Widerstände
R6, R7 und R8 realisiert. Im Ausführungsbeispiel ist eine Verstärkung des
Messverstärkers
von ca. 10 eingestellt. Für
den Fall, dass der Spannungsabfall an R4 Werte aufweist, die direkt
als Stellgröße verwendet
werden können,
kann der Messverstärker
entfallen oder durch einen Impedanzwandler, wie z. B. einen Emitterfolger,
ersetzt werden.
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Der Ausgang des Messverstärkers ist über eine
Diode D15 mit dem Stellgrößenknoten
N28 verbunden. Damit ist der Regelkreis zur Regelung des Stroms
durch die Gasentladung der Entladungslampen Lp1, Lp2 geschlossen.
Die Diode D 15 ist nötig, damit
das Potenzial von N28 auf einen Wert angehoben werden kann, der über dem
vom Messverstärker vorgegebenen
Wert liegt. Die Anode von D15 stellt einen ersten Reglereingang
dar.
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Der erfindungsgemäße Schwellwertschalter ist
in 2 durch einen Varistor
MOV realisiert. Er liegt in einer Serienschaltung mit einem Kondensators
C12, einem Widerstand R2 und einer Diode D 17, die den Lampenspannungsknoten
N27 mit dem Stellgrößenknoten
N28 verbindet. Die Anode von D17 stellt einen zweiten Reglereingang
dar. N28 ist über
die Parallelschaltung eines Widerstandes R9 und eines Kondensators
C14 mit NO verbunden.
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An N27 liegt gegenüber NO eine
Spannung an, die ein Maß für die im
Resonanzkreis gebildet aus L3, C6 und C7 schwingende Blindenergie
ist. Überschreitet
diese Spannung die Schwellspannung des Varistors MOV, so fließt ein Strom
durch R9 und C 14 wird aufgeladen. Damit wird die Spannung am Stellgrößenknoten
N28 angehoben. Dies bewirkt einen Anstieg der Wechselrichterfrequenz
und die im Resonanzkreis schwingende Blindenergie wird reduziert, da
die Wechselrichterfrequenz weiter von der Eigenfrequenz des Resonanzkreises
abrückt.
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Zwischen NO und dem Verbindungspunkt von
R2 und D17 ist die Diode D 16 geschaltet. Damit wird im Zusammenspiel
mit C12 an N28 die Summe aus positiver und negativer Amplitude der
Spannung angelegt, die der Varistor MOV passieren lässt. Statt des
Varistors MOV kann ein beliebiger anderer Schwellwertschalter Verwendung
finden, wie er z. B. durch Zener-Dioden oder Suppressor-Dioden aufgebaut
werden kann. Der Schwellwert des Varistors MOV ist im Anwendungsbeispiel
250Veff gewählt. Durch
einen höheren
Wert wird mehr Blindenergie im Resonanzkreis zugelassen, was zu
einer höheren Zündspannung
an den Entladungslampen Lp1, Lp2, aber auch zu einer höheren Belastung
von Bauelementen führt. Über den
Schwellwert des Varistors MOV kann somit ein gewünschtes Optimum eingestellt
werden.
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Der Wert des Widerstands R2 beeinflusst
die Stärke
der Wirkung des erfindungsgemäßen Eingriffs auf
den Regelkreis am Stellgrößenknoten
N28. Vorteilhaft ist auch ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen
der Spannung am Stellgrößenknoten
N28 und der Wechselrichterfrequenz. Dieser nichtlineare Zusammenhang
wird im Anwendungsbeispiel durch die nichtlineare Kennlinie von
T3 realisiert. Zudem wird er von der Abhängigkeit der Frequenz des Oszillators im
IC 1 von der Spannung am Anschluss 3 des IC1 beeinflusst.
Ein starker Anstieg der Spannung an N27 führt durch die Nichtlinearität zu einer überproportionalen
Erhöhung
der Wechselrichterfrequenz, wodurch einer Überlastung von Bauteilen, wie
z. B. der Spannungsbelastung von C3 oder der Strombelastung von
T1 und T2, vorgebeugt wird.
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Statt der Spannung könnte auch
der Strom im Resonanzkreis als Maß für die im Resonanzkreis schwingende
Blindenergie herangezogen werden. Dazu könnte beispielsweise eine Zusatzwicklung
auf L3 dienen.