Wechselrichter mit einem einen Reihenresonanzkreis und eine Entladungslampe enthaltenden Lastkreis

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.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 1.

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] Speist der Wechselrichter mehrere Lampen mit zugeordneten Reihenresonanzkreisen im Parallelbetrieb, so ist jedem Reihenresonanzkreis ein derartiger Parallelzweig mit spannungsabhängigem Widerstand zuzuordnen.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] 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.

[0010] 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.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] 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.

[0014] 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.

[0015] 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 U_E aufgetragen, die zugleich die Spannung an dem Kondensator C des Reihenresonanzkreises ist. Auf der Abszisse ist die Frequenz f dargestellt.

[0016] 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 U_E1 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 U_E, 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 U_E von der Betriebsfrequenz f_B zeigt:

Würde man z.B. statt der Betriebsfrequenz f_B1 die niedrigere f_B2 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 U_E2' weil sich gleichzeitig die Resonanzfrequenz entlang der Kurve K2 auf den Wert f_O2 reduziert und damit Kurve KR2 maßgebend ist.

[0017] Eine Verschiebung der Betriebsfrequenz in umgekehrter Richtung ist bis zu dem Grenzwert f_BG 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.

[0018] Nach dem Zünden der Lampe ist ihre Brennspannung U_EB praktisch konstant. Im Normalbetrieb des Wechselrichters bei brennender Lampe ist somit der spannungsabhängige Widerstand R1 praktisch stromlos und verursacht keine Verluste.

Ansprüche

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 (f_B) 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.

Zeichnung