EP0113451A1 - Wechselrichter mit einem einen Reihenresonanzkreis und eine Entladungslampe enthaltenden Lastkreis - Google Patents

Wechselrichter mit einem einen Reihenresonanzkreis und eine Entladungslampe enthaltenden Lastkreis Download PDF

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EP0113451A1
EP0113451A1 EP83112488A EP83112488A EP0113451A1 EP 0113451 A1 EP0113451 A1 EP 0113451A1 EP 83112488 A EP83112488 A EP 83112488A EP 83112488 A EP83112488 A EP 83112488A EP 0113451 A1 EP0113451 A1 EP 0113451A1
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inverter
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    • Y10S315/07—Starting and control circuits for gas discharge lamp using transistors

Definitions

  • the invention relates to an inverter with the features of the preamble of claim 1.
  • the operating frequency of the inverter which is determined, for example, by a saturation transformer, is set above the resonance frequency of the series resonant circuit during ignition operation: the inverter is then inductively loaded and the current through a switch is inevitably zero before the voltage goes through zero and depending on which the other switch is activated.
  • the object of the invention is therefore to avoid impermissible overvoltages.
  • the solution according to the invention is characterized in an inverter of the type mentioned at the outset by a voltage-dependent resistor which, alone or as part of a voltage divider in series with a further voltage divider element, forms a parallel branch to the choke or the capacitor of the series resonant circuit.
  • each series resonance circuit has to be assigned such a parallel branch with voltage-dependent resistance.
  • the characteristic of a voltage-dependent resistor has a first range in which practically no current flows up to a certain limit voltage. This is followed by the current-carrying area in which the characteristic curve is to run as steeply as possible: the voltage-dependent resistor therefore blocks practically up to the limit voltage in both directions and has a practically very low resistance for voltages above it.
  • the limit voltage of the voltage-dependent resistor is matched appropriately to the data of the inverter and its load circuit, it can be achieved that the voltage-dependent resistor works in the current-carrying area when the lamp is ignited: If an inadmissibly high voltage then arises on the components of the series resonant circuit, it forms the voltage-dependent resistance dampens the resonant circuit, which results in a correspondingly much smaller rise in voltage.
  • the voltage-dependent resistor is also such that it carries practically no current when the lamp has ignited: The series resonance circuit is then damped by the lamp or completely ineffective. The voltage on the components of the load circuit is limited to the lower operating voltage of the lamp.
  • the voltage-dependent resistor - alone or in series with another voltage divider element - can be connected in parallel with the capacitor or the choke of the series resonant circuit.
  • the inverter W is connected via terminals w1, w2 to a step-up converter H, which in turn is fed by an AC voltage network N and which supplies the inverter with a DC voltage. Between the terminals w1, w2 there is a very large storage capacitor C6 and the series connection of the two controllable switches in the form of transistors V1, V2.
  • the load circuit Parallel to the switching path of V1 is the load circuit, which consists of a series connection of a reversing capacitor C1, a discharge lamp E with the heatable electrodes e1, e2, a reactor L and the primary winding t1 of a saturation transformer T; the electrodes e1, e2 of the lamp E are connected in series via a capacitor C, this capacitor C and the inductor L determining the resonance frequency f 0 .
  • the two transistors V1, V2 are alternately turned on by a control set S, this control set containing secondary windings t2, t3 of the saturation transformer T, from which the control voltages for the transistors are derived.
  • the operating frequency fB of the inverter is determined here by the dimensioning of the saturation transformer T in relation to the dimensioning of the inverter and its load circuit; it must always be above the resonance frequency of the load circuit, so that a currentless phase between the blocking of one transistor and the control of the other is ensured.
  • the voltage-dependent resistor R1 forms a parallel branch in series with a capacitor C4, which is connected in parallel with the series circuit comprising inductor L, saturation transformer T and the second transistor V2 of the inverter: C4 is thus charged and charged from storage capacitor C6 via V2 and C1 via C1 and C1 reloaded the same way with conductive V1 as soon as the limit voltage of R1 is exceeded.
  • the monitoring device for current-dependent disconnection of the inverter is connected to the capacitor C4: a thyristor V3 is used for disconnection, which is connected to DC voltage via the electrode e1 and to which a further secondary winding t4 of the saturation transformer T is connected in parallel via a diode D3.
  • the control path of this thyristor is connected via a switching diode D2 to an RC element R3, C5, which is connected in parallel with the aforementioned capacitor C4 via a resistor R2 and a diode D1.
  • thyristor V3 becomes conductive and short-circuits the winding t4, so that the transistors of the inverter no longer receive any control voltages.
  • the ignition capacitor C3, which is also parallel to V3, is short-circuited, the voltage of which initiates the start of the inverter via a switching diode D4. This state remains until the holding circuit of the thyristor is interrupted by replacing the lamp E.
  • FIG. 2 The voltage on the discharge lamp U E , which is also the voltage on the capacitor C of the series resonant circuit, is plotted on the ordinate. The frequency f is shown on the abscissa.
  • a shift in the operating frequency in the opposite direction is permitted up to the limit value f BG with the associated curve KRG.
  • the components must be dimensioned so that the highest operating frequency in question does not exceed this limit value, so that an operating point in the current-carrying region of the characteristic curve of the voltage-dependent resistor R1 is guaranteed.

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Abstract

Bei Steuerung des Wechselrichters mit einem die Betriebsfrequenz bestimmenden Steuersatz (S) wird die Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises (L, C) unter die Betriebsfrequenz gelegt: Bei diesem induktiven Betrieb ist ein Kurzschluß der Gleichspannungsquelle ausgeschlossen. Z.B. bei ungünstigen Bauelementtoleranzen kann jedoch die Betriebsfrequenz nahe an die Resonanzfrequenz rücken und unzulässig hohe Spannungen an en Bauelementen verursachen. Erfindungsgemäß wird ein solcher Spannungsanstieg durch einen spannungsabhängigen Widerstand (R1) begrenzt. Vorugsweise liegt er in Reihe mit einem Kondensator (C4) und sorgt für eine spannungsabhängige Verschiebung der Resonanzfrequenz.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 1.
  • Bei einem solchen, aus der DE-OS 31 12 281 bekannten Wechselrichter ist darauf zu achten, daß die abwechselnd stromführenden Schalter niemals, auch nicht kurzzeitig, gleichzeitig Strom führen und dadurch die Gleichspannungsquelle kurzschließen; besonders wichtig ist die Einhaltung dieser Bedingung bei Verwendung von Halbleiterschaltern. Bei einem Wechselrichter der eingangs genannten Art wird daher die z.B.durch einen Sättigungstransformator bestimmte Betriebsfrequenz des Wechselrichters bei Zündbetrieb über die Resonanzfrequenz des Reihenresonanzkreises gelegt: Der Wechselrichter ist dann induktiv belastet und der Strom durch einen Schalter wird zwangsläufig Null, bevor die Spannung durch Null geht und davon abhängig der andere Schalter durchgesteuert wird.
  • Verschiedene Ursachen, z.B. Ausfall einer von mehreren Lampen oder ungünstiges Zusammentreffen der Toleranzen von Bauelementen, können dazu führen, daß die Betriebsfrequenz des Wechselrichters dicht an die Resonanzfrequenz heranrückt, was - vor allem bei sehr verlustarmen Bauelementen des Reihenresonanzkreises - entsprechend hohe Spannungen zur Folge hat, die nicht nur die Bauelemente des Wechselrichters sondern auch Menschen beim Arbeiten an den Lampenfassungen gefährden können.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unzulässige Überspannungen zu vermeiden. Die erfindungsgemäße Lösung ist bei einem Wechselrichter der eingangs genannten Art gekennzeichnet durch einen spannungsabhängigen Widerstand, der allein oder als Teil eines Spannungsteilers in Reihe mit einem weiteren.Spannungsteilerelement einen Parallelzweig zu der Drossel oder dem Kondensator des Reihenresonanzkreises bildet.
  • Speist der Wechselrichter mehrere Lampen mit zugeordneten Reihenresonanzkreisen im Parallelbetrieb, so ist jedem Reihenresonanzkreis ein derartiger Parallelzweig mit spannungsabhängigem Widerstand zuzuordnen.
  • Die Kennlinie eines spannungsabhängigen Widerstandes weist einen ersten Bereich auf, in dem bis zu einer bestimmten Grenzspannung praktisch kein Strom fließt. Daran schließt sich der stromführende Bereich an, in dem die Kennlinie möglichst steil verlaufen soll: Der spannungsabhängige Widerstand sperrt also praktisch bis zu der Grenzspannung in beiden Richtung und hat für darüberliegende Spannungen einen praktisch sehr kleinen Widerstand. Bei entsprechender Abstimmung der Grenzspannung des spannungsabhängigen Widerstandes auf die Daten des Wechselrichters und seines Lastkreises läßt sich erreichen, daß der spannungsabhängige Widerstand bei Zündbetrieb der Lampe in dem stromführenden Bereich arbeitet: Wenn sich dann eine unzulässig hohe Spannung an den Bauelementen des Reihenresonanzkreises einstellen möchte, bildet der spannungsabhängige Widerstand eine Dämpfung des Resonanzkreises, was einen entsprechend wesentlich geringeren Spannungsanstieg zur Folge hat.
  • Der spannungsabhängige Widerstand ist ferner so bemessen, daß er praktisch keinen Strom führt, wenn die Lampe gezündet hat: Der Reihenresonanzkreis ist dann durch die Lampe bedämpft oder völlig unwirksam. Die Spannung an den Bauelementen des Lastkreises ist auf die niedrigere Brennspannung der Lampe begrenzt.
  • Grundsätzlich kann der spannungsabhängige Widerstand - allein oder auch in Reihe mit einem weiteren Spannungsteilerelement - dem Kondensator oder der Drossel des Reihenresonanzkreises parallel geschaltet werden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, den spannungsabhängigen Widerstand der Drossel des Resonanzkreises und dem zweiten Schalter des Wechselrichters parallel zu legen: In diesem Fall kann nämlich über den spannungsabhängigen Widerstand in besonders einfacher Weise ein Signal zur stromabhängigen Abschaltung des Wechselrichters gewonnen werden.
  • Besonders vorteilhaft ist es, eine Reihenschaltung aus einem spannungsabhängigen Widerstand und einem Kondensator zu verwenden: Bei stromführendem spannungsabhängigem Widerstand - also bei Zündbetrieb - wird nämlich hierbei die Resonanzfrequenz des Reihenresonanzkreises verändert. Bei entsprechend steiler Kennlinie des spannungsabhängigen Widerstandes hat dann selbst eine Variation der Betriebsfrequenz des Wechselrichters in einem weiten Bereich nur eine sehr geringe Änderung der Zündspannung an der Lampe zur Folge. Dementsprechend kann man Bauelemente mit großer Toleranz zulassen, die außerdem nur eine entsprechend niedrige Spannungsfestigkeit zu haben brauchen.
  • Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert; es zeigen
    • FIG 1 die Schaltung eines Ausführungsbeispieles und
    • FIG 2 die Abhängigkeit zwischen Frequenz und Spannung an der Entladungslampe.
  • Der Wechselrichter W ist über Klemmen w1, w2 an einen Hochsetzsteller H angeschlossen, der seinerseits von einem Wechselspannungsnetz N gespeist wird und der dem Wechselrichter eine Gleichspannung liefert. Zwischen den Klemmen w1, w2 liegt ein sehr groß bemessener Speicherkondensator C6 und die Reihenschaltung der beiden steuerbaren Schalter in Form von Transistoren V1, V2. Parallel zur Schaltstrecke von V1 liegt der Lastkreis, der aus einer Reihenschaltung eines Umschwingkondensators C1, einer Entladungslampe E mit den heizbaren Elektroden e1, e2 einer Drossel L und der Primärwicklung t1 eines Sättigungstransformators T besteht; die Elektroden e1, e2 der Lampe E sind über einen Kondensator C in Reihe geschaltet, wobei dieser Kondenstor C und die Drossel L die Resonanzfrequenz f0 bestimmen.
  • Die beiden Transistoren V1, V2 werden durch einen Steuersatz S abwechselnd durchgesteuert, wobei dieser Steuersatz Sekundärwicklungen t2, t3 des Sättigungstransformators T enthält, von denen die Steuerspannungen für die Transistoren abgeleitet werden. Die Betriebsfrequenz fB des Wechselrichters ist hier durch die Bemessung des Sättigungstransformators T im Verhältnis zur Bemessung des Wechselrichters und seines Lastkreises bestimmt; sie muß stets oberhalb der Resonanzfrequenz des Lastkreises liegen, damit eine stromlose Phase zwischen Sperren-des einen Transistors und Aufsteuern des anderen gewährleistet ist.
  • Der spannungsabhängige Widerstand R1 bildet in Reihe mit einem Kondensator C4 einen Parallelzweig, der die Reihenschaltung aus Drossel L, Sättigungstransformator T und dem zweiten Transistor V2 des Wechselrichters parallel liegt: C4 wird so bei leitendem V2 über C und C1 aus dem Speicherkondensator C6 geladen und auf demselben Wege bei leitendem V1 umgeladen, sobald die Grenzspannung von R1 überschritten ist.
  • An den Kondensator C4 ist die Überwachungseinrichtung zur stromabhängigen Abschaltung des Wechselrichters angeschlossen: Zur Abschaltung dient ein Thyristor V3, der über die Elektrode e1 an Gleichspannung liegt und dem eine weitere Sekundärwicklung t4 des Sättigungstransformators T über eine Diode D3 parallel geschaltet ist. Die Steuerstrecke dieses Thyristors liegt über eine Schaltdiode D2 an einem RC-Glied R3, C5, das über einen Widerstand R2 und eine Diode D1 dem erwähnten Kondensator C4 parallel geschaltet ist. Erreicht somit die Spannung an C5 einen durch D2 bestimmten Grenzwert, dann wird Thyristor V3 leitend und schließt die Wicklung t4 kurz, so daß die Transistoren des Wechselrichters keine Steuerspannungen mehr erhalten. Zugleich wird auch der ebenfalls zu V3 parallel liegende Zündkondensator C3 kurzgeschlossen, dessen Spannung über eine Schaltdiode D4 den Start des Wechselrichters einleitet. Dieser Zustand bleibt bis zur Unterbrechung des Haltestromkreises des Thyristors durch Auswechseln der Lampe E.
  • Zur Erläuterung der Wirkung des spannungsabhängigen Widerstandes und des Kondensators C4 wird auf FIG 2 Bezug genommen: Dort ist auf der Ordinate die Spannung an der Entladungslampe UE aufgetragen, die zugleich die Spannung an dem Kondensator C des Reihenresonanzkreises ist. Auf der Abszisse ist die Frequenz f dargestellt.
  • Mit KR1 ist zunächst der Spannungsverlauf an der Lampe bzw. an dem Kondensator C bei Zündbetrieb dargestellt, wenn alle Bauelemente die berechneten Werte haben: Der Wechselrichter arbeitet hierbei mit einer Betriebsfrequenz f B1, zu der eine Lampenspannung UE1 gehört. Die Resonanzfrequenz sei f01 (bei verlustbehafteten Resonanzkreisen liegt die Resonanzfrequenz jedoch etwas rechts von dem eingezeichneten Wert und nicht im Maximum der Spannung am Kondensator). Diese Resonanzfrequenz ist nun aber infolge der Wirkung von R1 und C4 eine Funktion der Lampenspannung UE, und zwa in der Weise, wie dies die Kurve K2 in FIG 2 wiedergibt. Davon leitet sich die parallel nach rechts verschobene Kurve K1 ab, die die Abhängigkeit der Spannung UE von der Betriebsfrequenz fB zeigt:
    • Würde man z.B. statt der Betriebsfrequenz fB1 die niedrigere fB2 einstellen (die ohne die Erfindung eine entsprechend hohe Lampenspannung zur Folge hätte), so steigt die Lampenspannung entlang der Kurve K1 nur geringfügig auf den Wert UE2' weil sich gleichzeitig die Resonanzfrequenz entlang der Kurve K2 auf den Wert fO2 reduziert und damit Kurve KR2 maßgebend ist.
  • Eine Verschiebung der Betriebsfrequenz in umgekehrter Richtung ist bis zu dem Grenzwert fBG mit zugehöriger Kurve KRG zulässig. Die Bemessung der Bauelemente ist so vorzunehmen, daß die höchste in Betracht kommende Betriebsfrequenz diesen Grenzwert nicht übersteigt, damit ein Arbeitspunkt im stromführenden Bereich der Kennlinie des spannungsabhängigen Widerstandes R1 gewährleistet ist.
  • Nach dem Zünden der Lampe ist ihre Brennspannung UEB praktisch konstant. Im Normalbetrieb des Wechselrichters bei brennender Lampe ist somit der spannungsabhängige Widerstand R1 praktisch stromlos und verursacht keine Verluste.

Claims (7)

1. Wechselrichter mit zwei abwechselnd leitenden, steuerbaren Schaltern (V1, V2), mit einem Lastkreis parallel zu dem ersten Schalter (V1), der über den zweiten Schalter (V2) an einer Gleichspannungsquelle (H) liegt und aus der Reihenschaltung eines Umschwingkondensators (C1), eines Reihenresonanzkreises mit einer Drossel (L) und einem Kondensator (C) und einer Entladungslampe (E) mit heizbaren Elektroden (e1, e2) besteht, wobei diese Elektroden (e1, e2) in diesem Lastkreis liegen und über den Kondensator (C) des Reihenresonanzkreises miteinander verbunden sind, mit einem Steuersatz (S') zum abwechselnden Durchschalten der Schalter (V1, V2), wobei die Resonanzfrequenz (f0) des Resonanzkreises (L, C) bei nichtgezündeter Entladungslampe (E) unter der durch den Steuersatz (S) bestimmten Betriebsfrequenz (fB) des Wechselrichters (W) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Spannungsbegrenzung ein spannungsabhängiger Widerstand (R1) vorgesehen ist, der - allein oder als Teil eines Spannungsteilers - in Reihe mit einem weiteren Spannungsteilerelement (C4) einen Parallelzweig bildet, der zu der Drossel (L) oder dem Kondensator (C) des Reihenresonanzkreises parallel geschaltet ist.
2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Parallelzweig mit dem spannungsabhängigen Widerstand (R1) und dem weiteren Spannungsteilerelement (C4) der Serienschaltung aus der Drossel (L) des Reihenresonanzkreises und dem zweiten Schalter (V2) des Wechselrichters parallelgeschaltet ist.
3. Wechselrichter nach Anspruch 2, mit einer den Wechselrichter (W) stromabhängig abschaltenden Uberwachungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung an dem weiteren Spannungsteilerelement (C4) die Überwachungseinrichtung steuert.
4. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Spannungsteilerelement ein ohm'scher Widerstand ist.
5. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Spannungsteilerelement ein Kondensator (C4) ist.
6. Wechselrichter nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung, daß der Arbeitspunkt des spannungsabhängigen Widerstandes (R1) bei der höchsten in Betracht kommenden Betriebsfrequenz des Wechselrichters im Zündbetrieb der Entladungslampe stets im stromführenden Bereich und nur bei gezündeter Lampe im stromlosen Bereich der Kennlinie liegt.
7. Wechselrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Steuersatz (S) einen Sättigungstransformator enthält, von dessen Sekundärwicklungen (t2, t3) die Steuerspannungen für die Schalter (V1, V2) abgeleitet sind und dessen Primärwicklung (t1) im Lastkreis liegt.
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