Schaltungsanordnung zum hochfrequenten Betrieb einer Niederdruckentladungslampe

Abstract

 Bei einer Schaltungsanordnung zum hochfrequenten Betrieb einer Niederdruckentladungslampe (LP) sind am Gleichstromausgang des Netzgleichrichters (GL) in Serie zwei Dioden (D4, D5) in Gleichstromvorwärts­richtung angeschlossen, wobei der Mittenabgriff (M2) zwischen den beiden Dioden (D4, D5) über einen Konden­sator (C7) mit dem Mittenabgriff (M1) zwischen den beiden Transistoren (T1, T2) des Gegentaktfrequenz­generators verbunden ist. Außerdem ist in den netz­frequenten Teil der Schaltungsanordnung eine Netzdrossel (L2) geschaltet. Die oben aufgeführten Schaltungselemente bilden zusammen ein Oberwellen­filter, durch die die nach IEC-Publikation 82 fest­gelegten Anforderungen hinsichtlich Netzstrom-Ober­wellengehalt und Funkentstörung ohne leistungstech­nische Nachteile erfüllt werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum hochfrequenten Betrieb einer Niederdruckentladungs­lampe mit einem Netzgleichrichter mit parallel zum Gleichstromausgang geschaltetem Stützkondensator, einem Gegentaktfrequenzgenerator, wobei die Ansteuerung der alternierend schaltenden Transistoren über Rückkopplung mit einem Stromtrafo erfolgt und einem Serienresonanzkreis aus Resonanzinduktivität, Kopplungskondensator und Resonanzkondensator, wobei die Resonanzinduktivität zwischen den Mittenabgriff der beiden Transistoren und der entsprechenden Elektrode der Lampe und der Resonanzkondensator in den Heizkreis der Lampe geschaltet ist.

[0002] Als Stromtrafo eignet sich hierzu insbesondere ein Stromsättigungstrafo in Ringkernform, da dieser eine hohe magnetische Permeabilität besitzt.

[0003] Eine solche Schaltung ist aus dem Buch "Elektronik­schaltungen" von Walter Hirschmann der SIEMENS AG. bekannt. Diese Schaltung bewirkt einen sicheren Anlauf der Lampe durch eine automatische Zündspannungsbildung und weist eine geringe Verlustleistung auf. Aller­dings bedingt die Schaltung einen hohen Netzstrom-­Oberwellengehalt, der die Grenzen nach IEC-Publi­kation 82 nicht einhält und den Netzleistungsfaktor weit unter 0,9 sinken läßt.

[0004] Eine Lösung zur Reduzierung des Oberwellengehaltes bei einer solchen Schaltungsanordnung wird in der DE-OS 32 22 534 dargestellt. Die Schaltung weist als wesentliches Merkmal zur Reduzierung des Oberwellen­gehaltes eine Reihenschaltung aus einer Speicher­drossel und einer Diode auf, wobei am Verbindungspunkt dieser beiden Bauelemente zwei Kondensatoren ange­schlossen sind. Die Schaltungsanordnung hat jedoch schwerwiegende Nachteile. Die obengenannten Schal­tungselemente bilden zusammen mit den beiden Transistoren des Gegentaktfrequenzgenerators einen Hochsetzsteller, der für die Unterdrückung der Oberwellen sorgt. Dadurch erfahren die Transistoren eine starke Belastung. Die Speicherdrossel ist Teil des HF-Kreises und wirkt deshalb nur teilweise funkentstörend. Durch eine solche Schaltungsanordnung ergibt sich eine starke Abhängigkeit der Ausgangs­leistung bei Netzspannungsänderungen.

[0005] Ziel der Erfindung ist es daher, eine Schaltungsan­ordnung zum Betrieb einer Niederdruckentladungs­lampe zu schaffen, die die durch die IEC-Publi­kation 82 festgelegten Anforderungen hinsichtlich Netzstrom-Oberwellengehalt und Funkentstörung ohne leistungstechnische Nachteile erfüllt und mit wenigen kostengünstigen Bauteilen auskommt.

[0006] Die Schaltungsanordnung mit den im Oberbegriff des Hauptanspruchs genannten Merkmalen ist erfindungsge­mäß dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zum Stütz­kondensator in Serie zwei Dioden in Gleichstromvor­wärtsrichtung angeschlossen sind, der Mittenabgriff zwischen den beiden Dioden über einen Kondensator mit dem Mittenabgriff zwischen den beiden Transistoren verbunden ist und in den netzfrequenten Teil der Schaltungsanordnung eine Netzdrossel geschaltet ist.

[0007] Unter dem netzfrequenten Teil der Schaltung ist hierbei der Bereich der Schaltung zu verstehen, in dem bei Betrieb keine hochtransformierte, sondern lediglich eine netzfrequente Gleich- bzw. Wechsel­spannung vorliegt.

[0008] Durch einen solchen Schaltungsaufbau wird sicherge­stellt, daß die dritte Harmonische im Netzstrom den bestehenden Vorschriften entspricht und die Schaltung lediglich geringe Änderungen der Ausgangsleistung bei Netzspannungsänderungen bewirkt. Außerdem wird erreicht, daß die Spannung am Ausgang, d.h. am Glät­tungskondensator etwa die Höhe des Scheitelwertes der Netzspannung besitzt, so daß der Kondensator nicht für hohe Betriebsspannungen ausgelegt sein muß.

[0009] Die verbleibenden höheren harmonischen Schwingungen werden durch die Induktivität der Netzdrossel begrenzt, wobei die Drossel gleichzeitig die betriebs­frequente Störspannung auf den Netzzuleitungen auf die nach VDE 0875, Teil 2, zulässigen Werte senkt. Die Netzdrossel ist dazu entweder zwischen den Netzeingang der Schaltungsanordnung und den Netzgleichrichter oder zwischen den Gleichstromausgang des Netzgleichrichters und den parallel zu diesem Ausgang liegenden Stütz­kondensator geschaltet. Im letzten Fall ist zusätzlich parallel zum Stützkondensator eine Diode in Sperrich­tung geschaltet, um Oberwellen höherer Ordnung weit­gehend zu verkleinern. Die Netzdrossel kann aus zwei Wicklungsblöcken bestehen, wobei in jede der beiden Wechsel- bzw. Gleichstromzuleitungen ein Wicklungs­ block geschaltet ist. Eine Schaltungsanordnung dieser Art eignet sich insbesondere für den Betrieb von Leuchtstofflampen mit kleinerer Leistungsaufnahme.

[0010] Für den Betrieb von Lampen mit hoher Leistungsauf­nahme ist eine weitere Senkung der Transistor-Ver­lustleistungen notwendig. Dies wird mit Hilfe eines Kondensators erreicht, der zwischen dem Mittenabgriff zwischen den beiden Dioden und dem Mittenabgriff zwischen der Resonanzinduktivität und der entspre­chenden Elektrode der Lampe geschaltet ist. Durch das Verhältnis der Kapazitäten dieses Kondensators zu dem, der mit dem Mittenabgriff zwischen den beiden Transistoren verbunden ist, wird die Sinusform beeinflußt und die rückzuspeisende Energie eingestellt. Je nach Lampentyp kann der erste Kondensator auch direkt mit einer Anzapfung der Resonanzinduktivität verbunden sein.

[0011] Die bisher beschriebene Schaltungsanordnung eignet sich für Beleuchtungsgeräte, bei denen die Niederdruckentladungslampe fest mit der Schaltung verbunden ist. Im Fall, daß das Gerät eine Auswechs­lung der Lampe gestattet, ist bei der Schaltungsan­ordnung der Mittenabgriff zwischen den beiden Dioden über einen Kondensator nicht mit dem Mittenabgriff zwischen der Resonanzinduktivität und der entspre­chenden Elektrode, sondern mit der heizkreisseitigen Stromzuführung derselben Elektrode zu verbinden. Beim Wechseln der Niederdruckentladungslampe liegen dann keine hohen Spannungen an den Lampenanschlüssen an, so daß ein gefahrloser Wechsel ermöglicht wird.

[0012] In einer weiteren speziellen Ausführungsform der Schaltungsanordnung kann auch jede der heizkreis­seitigen Stromzuführung der Elektroden über einen Kondensator mit der netzseitigen Stromzuführung der anderen Elektrode der Lampe verbunden sein. Dadurch wird die Güte des Resonanzkreises erhöht, so daß sich diese Schaltungsvariante insbesondere zum Betrieb von Niederdruckentladungslampen mit hohen Brennspannungen oder zum Betrieb normaler Niederdruckentladungslampen an niedrigen Netzspannungen, wie z.B. 110 V eignet.

[0013] Die Erfindung ist anhand der nachfolgenden Figuren näher veranschaulicht.

Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanord­nung zum Betrieb einer Niederdruckentla­dungslampe, bei der die Lampe fest mit der Schaltungsanordnung verbunden ist.

Figur 2 zeigt eine Schaltungsvariante Aʹ für den netz­frequenten Teil A der Schaltungsanordnung gemäß Figur 1.

Figur 3 zeigt eine Schaltungsvariante Bʹ für die Anknüpfung B des Oberwellenfilters in der Schaltungsanordnung gemäß Figur 1.

Figur 4 zeigt den vom Netz aufgenommenen sinusförmigen Stromfluß bei einer Schaltungsanordnung ohne und mit Netzdrossel

Figur 5 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsan­ordnung zum Betrieb einer Niederdruckentla­dungslampe, die einen gefahrlosen Wechsel der Lampe ermöglicht.

Figur 6 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsan­ordnung zum Betrieb von Niederdruckentla­dungslampen mit hoher Brennspannung bzw. zum Betrieb von Niederdruckentladungslampen an niedrigen Netzspannungen.

[0014] Figur 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Niederdruckentladungslampe, bei der die Lampe fest mit der Schaltungsanordnung verbunden ist. Hauptbestandteil der Schaltungsanordnung ist der Gegentaktfrequenzgenerator, bestehend aus den beiden Transistoren T1, T2 mit den Rücklaufdioden D2, D3 (diese können bei Integration in die Transistoren entfallen), den Vorschaltwiderständen R2 bis R5 und dem Anlaufgenerator, bestehend aus den Widerständen R1 und R6, dem Startkondensator C3 und dem Diac DK sowie dem Rückkopplungsringkerntrafo RK. Die Niederdruck­entladungslampe LP ist mit einer Elektrode E1 mit dem Mittenabgriff M1 zwischen den Kollektor-Emitter-­Strecken der beiden Transistoren T1, T2 und mit der anderen Elektroden E2 mit dem Pluspol des Netzgleich­richters GL verbunden. Der Serienresonanzkreis besteht aus der Resonanzinduktivität L1, dem Kopplungskonden­sator C5 und dem Resonanzkondensator C6, wobei die Resonanzinduktivität L1 und der Kopplungskondensator C5 zwischen den Mittenabgriff M1 und die Elektrode E1 und der Resonanzkondensator C6 in den Heizkreis der Lampe LP gelegt ist. Die Funktionsweise des Gegentakt­frequenzgenerators in Kombination mit dem Serienreso­nanzkreis zum Betrieb der Lampe kann dem Buch "Elektronik-Schaltungen" von W. Hirschmann (Siemens Aktiengesellschaft), S. 148, entnommen werden und soll daher hier nicht näher erläutert werden.

[0015] Zwischen den Netzeingang und den Gleichrichter GL ist neben der Sicherung SI und dem üblichen Filterkon­densator C1 parallel zum Netzeingang sowie neben je einem Wicklungsblock einer stromkompensierten Filterdrossel FD in jede Zuleitung ein Wicklungsblock einer Netz-Eisendrossel L2 geschaltet. Außerdem sind in Reihe zum Stützkondensator C2, der parallel zum Gleichstromausgang des Netzgleichrichters GL liegt, in Gleichstromvorwärtsrichtung hintereinander zwei schnelle Dioden D4, D5 geschaltet. Der Mittenabgriff M2 zwischen den beiden Dioden D4, D5 ist über einen Kondensator C7 mit dem Mittenabgriff M1 zwischen den Kollektor-Emitter-Strecken der beiden Transistoren T1, T2 und außerdem über einem Kondensator C8 mit dem Mittenabgriff M3 zwischen der Resonanzinduktivität L1 und dem Kopplungskondensator C5 verbunden. Parallel zu den Schaltstrecken der Transistoren T1, T2 ist als Glättungskondensator ein Elektrolytkondensator C4 geschaltet.

[0016] In Figur 2 und 3 sind zwei Schaltungsvarianten für die in Figur 1 dargestellte Schaltungsanordnung abgebil­det. Figur 2 zeigt eine Schaltungsvariante Aʹ für den netzfrequenten Teil A der Schaltungsanordnung mit übereinstimmenden Anschlußpunkten P1 und P2. Zwischen Netzeingang und Gleichrichter GLʹ ist bei dieser Variante parallel zum Eingang nur ein Filterkonden­sator C1ʹ und in jede Zuleitung je ein Wicklungs­block einer stromkompensierten Filterdrossel FDʹ sowie in eine Zuleitung eine Sicherung SIʹ geschaltet. Die beiden Wicklungsblöcke der Netzdrossel L2ʹ sind jeweils in die beiden Gleichstromausgänge des Netz­gleichrichters GLʹ gelegt. Zusätzlich weist diese Schaltungsvariante parallel zum Kondensator C2ʹ eine Diode D6 in Sperrichtung auf, um die Oberwellen höherer Ordnung zu verringern.

[0017] Figur 3 zeigt eine Schaltungsvariante Bʹ für die Art der Anknüpfung B des zweiten Kondensators des Oberwellenfilters mit identischen Anknüpfungspunkten P3 bis P7. Der Kondensator C8ʹ ist hierbei direkt mit einer Anzapfungswindung der Resonanzinduktivität L1ʹ verbunden. Die anderen Schaltungselemente, wie die beiden Kondensatoren C4ʹ und C8ʹ , die Rückkopplungs­trafowicklung RKʹ, der Resonanzkondensator L1ʹ und der Kopplungskondensator C5ʹ entsprechend den Elementen C4, C8, RK, L1 und C5 der Figur 1.

[0018] Vor der Diode D4 liegt am Stützkondensator C2 die Gleichspannung U2, hinter der Diode D5 am Glättungs­kondensator C4 die Gleichspannung U3. Die beiden Dioden D4, D5 klemmen entsprechend der jeweiligen Differenz U2 - U3 die über den Kondensator C7 gelie­ferte hochfrequente Wechselspannung U4 vom Gegentakt­frequenzgenerator halbwellenalternierend an die Spannung U2 bzw. U3. Damit wird ein Stromfluß während der Differenzphasen "aufwärts" und "abwärts" der gleichgerichteten 100 Hz-Wechselspannung ermöglicht, so daß ein im wesentlichen sinusförmiger Stromfluß vom Netz her auftritt. Insbesondere durch einen großen Kapazitätswert des Kondensators C7 wird eine ausge­zeichnete Sinusstromform erreicht. Die durch obige Maßnahmen auftretende höhere Verlustleistung an den Transistoren T1, T2 wird durch den ebenfalls am Mittenabgriff M2 angeschlossenen Kondensator C8 aus­geschaltet, wobei sich durch das Verhältnis C7, C8 die Sinusform entsprechend beeinflussen läßt.

[0019] Figur 4a, 4b zeigt den vom Netz her aufgenommenen sinusförmigen Stromfluß bei Verwendung eines Ober­wellenfilters aus den oben aufgeführten Dioden D4, D5 und Kondensatoren C7, C8. Figur 4a stellt dabei den pro Zeiteinheit t vom Netz aufgenommenen Strom­fluß I_N ohne zusätzliche Netz-Eisendrossel L2 und Figur 4b den Stromfluß I_N pro Zeiteinheit t mit zusätzlicher Netz-Eisendrossel L2 dar. Ohne Eisendrossel L2 ist der Stromfluß weitgehend sinusförmig, wie durch die Grundwelle 1 verdeutlicht wird. Es sind jedoch noch Rest-Ladespitzen 2 vorhanden. Durch die Eisendrossel L2 werden die über die Grundwelle 1 hinausragenden Ladespitzen in verschliffene Stromspitzen 3 umgeformt, so daß die entstandene Endstromform die entsprechenden Vorschriften erfüllt. Die Netz-Eisendrossel schafft noch zwei weitere wesentliche Vorteile: Die Funkstörungen, die von der Gleichspannung U2 am Stützkondensator C2 stammen, werden stark reduziert und die Eingangsimpedanz bleibt für Rundsteuersignale induktiv.

[0020] Zum Betrieb einer 36 W-Kompaktleuchtstofflampe sind in der nachfolgenden Bestückungsliste die Schaltungs­elemente für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wie in Figur 1 zusammengestellt:
SI 1 A mittelträge
C1 68 nF
L2 0,6 H
FD 130 mH stromkompensiert
GL Gleichrichter-Brückenschaltung B 250, C 800
C2 33 nF
D4, D5 1N4937
R1 470 kΩ
C3 47 nF
D1 1N4004
R2, R3 10 Ω
T1, T2 BUV 93
R4, R5 1,1 Ω
DK A9903
D2, D3 BA157
C7 13 nF
R6 330 kΩ
RK primär 10 Windungen, sekundär 2 x 4 Windungen
C4 22 µF
L1 0,8 mH
C8 3,3 nF
C5 47 nF
C6 6,8 nF

[0021] In Figur 5 ist eine Variante der Schaltungsanordnung dargestellt, die einen gefahrlosen Wechsel der Nieder­druckentladungslampe ermöglicht. Die Schaltungsan­ordnung entspricht weitgehend der in der Figur 1 dargestellten Schaltung. Anstelle des Kondensators C8, der den Mittenabgriff M2 zwischen den beiden Dioden D4, D5 mit dem Mittenabgriff M3 zwischen Resonanz­induktivität L1 und Kopplungskondensator C5 verbindet, ist hier lediglich ein Kondensator C9 vorgesehen, der den Mittenabgriff M2 mit dem Heizkreis der Lampe LP verbindet. Im Fall der Herausnahme der Lampe wird bei dieser Schaltungsvariante auch der Gegentaktfrequenz­generator abgeschaltet.

[0022] Figur 6 zeigt eine Schaltungsanordnung, die sich speziell für den Betrieb von Niederdruckentladungs­ lampen mit hoher Brennspannung oder den Betrieb von Niederdruckentladungslampen mit normal hoher Brenn­spannung an niedrigen Netzspannungen, wie z.B. 110 V eignet. Diese Schaltungsanordnung stimmt bis auf den Heizkreis mit der in Figur 1 dargestellten Schaltungs­anordnung überein. Im Heizkreis wird bei dieser Schaltung der netzseitige Anschluß der Elektrode E2 über einen Kondensator C10 mit dem heizkreisseitigen Anschluß der Elektrode E1 und der netzseitige Anschluß E1 über einen Kondensator C11 mit dem heizkreisseiti­gen Anschluß der Elektrode E2 verbunden. Durch diese Änderung wird die dämpfende Wirkung der beiden Elektroden E1, E2 auf den Schwingkreis auf ein Viertel reduziert. Dadurch ergeben sich höhere Spannungs­impulse, die auch bei niedriger Netzspannung bzw. hoher Brennspannung die Lampe zu zünden vermögen

Ansprüche

1. Schaltungsanordnung zum hochfrequenten Betrieb einer Niederdruckentladungslampe (LP) mit einem Netz­gleichrichter (GL) mit parallel zum Gleichstrom­ausgang geschaltetem Stützkondensator (C2), einem Gegenktaktfrequenzgenerator, wobei die Ansteuerung der alternierend schaltenden Transistoren (T1, T2) über Rückkopplung mit einem Stromtrafo (RK) erfolgt und einem Serienresonanzkreis aus Resonanzinduktivität (L1), Kopplungskondensator (C5) und Resonanzkon­densator (C6), wobei die Resonanzinduktivität (L1) zwischen den Mittenabgriff (M1) der beiden Transisto­ren (T1, T2) und der entsprechenden Elektrode (E1) der Lampe (LP) und der Resonanzkondensator (C6) in den Heizkreis der Lampe (LP) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zum Stützkondensator (C2) in Serie zwei Dioden (D4, D5) in Gleichstromvor­wärtsrichtung angeschlossen sind, der Mittenabgriff (M2) zwischen den beiden Dioden (D4, D5) über einen Kondensator (C7) mit dem Mittenabgriff (M1) zwischen den beiden Transistoren (T1, T2) verbunden ist und in den netzfrequenten Teil der Schaltungsanordnung eine Netzdrossel (L2, L2ʹ) geschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzdrossel (L2) zwischen den Netzeingang der Schaltungsanordnung und den Netz­gleichrichter (GL) geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzdrossel (L2ʹ) zwischen den Gleichstromausgang des Netzgleichrichters (GLʹ) und den parallel zu diesem Ausgang liegenden Stützkon­densator (C2ʹ) geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diode (D6) in Sperrichtung parallel zum Stützkondensator (C2ʹ) geschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzdrossel (L2, L2ʹ) aus zwei Wicklungsblöcken besteht, wobei in jede der beiden Wechsel- bzw. Gleichstromzuleitungen ein Wicklungsblock geschaltet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittenabgriff (M2) zwischen den beiden Dioden (D4, D5) außerdem über einen Kondensator (C8) mit dem Mittenabgriff (M3) zwischen der Resonanzinduktivität (L1) und der Elektrode (E1) der Lampe (LP), verbunden ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittenabgriff (M2) zwischen den beiden Dioden außerdem über einen Kondensator (C8ʹ) mit einer Anzapfung der Resonanzinduktivität (L1ʹ) verbunden ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittenabgriff (M2) zwischen den beiden Dioden (D4, D5) außerdem über einen Kondensator (C9) mit der heizkreisseitigen Stromzuführung der Elektrode (E1) der Lampe (LP) verbunden ist, deren andere Stromzuführung an den Mittenabgriff (M1) zwischen den Transistoren (T1, T2) geführt ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der heizkreisseitigen Stromzuführungen der Elektroden (E1, E2) über einen Kondensator (C10, C11) mit der netzseitigen Stromzu­führung der anderen Elektrode (E2, E1) der Lampe (LP) verbunden ist.

Zeichnung