Schaltungsanordnung zum Wechselstrombetrieb von Gasentladungslampen

Abstract

 Bei einer Schaltungsanordnung zum Wechselstrombetrieb von Gasentladungslampen, bestehend aus einem an eine Wechsel­spannungsquelle angeschlossenen Vollweggleichrichter (1), dessen Gleichspannung einem Schaltnetzteil (3 bis 8) als Gleichspannungswandler zugeführt wird, an den sich eine Brückenschaltung (9) mit vier Thyristoren anschließt, in deren Querzweig die Lampe (5) liegt, ist hinter dem Voll­weggleichrichter ein Glättungskondensator (2) angeordnet und liegt der Brückenschaltung (9) ein elektronisches Schaltelement (14) parallel, das in der Umgebung der Null­durchgänge der Eingangswechselspannung leitend geschaltet wird. Hierdurch werden Kurzschlüsse in der Brückenschal­tung vermieden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zumWechselstrombetrieb einer Gasentladungslampe, versehen mit einem an eine Wechselspannungsquelle anschließenden Vollweggleichrichter, an dessen Ausgang ein Schaltnetzteil als Gleichspannungswandler angeschlos­sen ist, an den eine Brückenschaltung mit mindestens zwei Thyristoren angeschlossen ist, in deren Querzweig die Lampe aufgenommen ist. Unter einem Thyristor wird in diesem Fall ein elektrisches Bauelement verstanden, das durch ein Signal auf seine Steuerelektrode eingeschaltet wird, sich aber erst nach Absinken des Stromes unter seinen Haltestromwert abschaltet. Dies trifft z.B. auch für sogenannte Triacs zu. Die Stromabsenkung wird z. B. erreicht beim Nulldurchgang der angelegten Spannung.

[0002] Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der DE-OS 31 36 919 bekannt. Bei dieser Anordnung erzeugt ein als Durchflußwandler arbeitendes Schaltnetzteil eine pulsie­rende, gegebenenfalls mit Hochfrequenz überlagerte Gleich­spannung. Diese pulsierende Gleichspannung wird durch eine von der Wechselspannungsquelle angesteuerte Thyristor­brücke in eine sich mit der Frequenz der Spannungsquelle ändernde Wechselspannung umgewandelt, der wiederum eine gewisse Hochfrequenzmodulation überlagert sein kann. Der Durchflußwandler wird bei der bekannten Schaltungsanord­nung von der mittels eines Vollweggleichrichters gleich­gerichteten Wechselspannung der Quelle gespeist, ohne daß dem Gleichrichter ein Glättungskondensator nachgeschaltet ist.

[0003] Eine derartige Schaltungsanordnung ist jedoch nur bei gewissen Lampentypen anwendbar, da ohne Glättungskonden­sator oftmals Wiederzündschwierigkeiten beim Stromnull­durchgang auftreten. Insbesondere bei Hochdruckgasentla­dungslampen hat die Praxis gezeigt, daß Glättungskondensa­toren von etwa 0,5 µF bis 10 µF notwendig sind, um eine Restionisation der Lampe im Stromnulldurchgang aufrecht­zuerhalten. Die Spannung an einem Glättungskondensator und damit an der Thyristorbrücke sinkt allerdings nicht auf Null beim Spannungsnulldurchgang der Quelle. Daher können bei Benutzung eines Glättungskondensators Kurzschlüsse in der Thyristor-Brückenschaltung auftreten, die zum Verlö­schen der Lampe und sogar zur Zerstörung der Schaltung selbst führen können.

[0004] Aus der DE-OS 26 42 272 ist eine ähnliche Schaltungs­anordnung mit einem zusätzlichen Glättungskondensator bekannt, bei der die Brückenschaltung vier gesteuerte Transistoren aufweist. Hierbei wird die Umschaltung der Transistoren mit der Umschaltung des Schalttransistors im Schaltnetzteil synchronisiert. Da Transistoren durch Steuerung ihrer Steuerelektrode sowohl ein- als auch ausgeschaltet werden, können bei dieser Schaltungsan­ordnung praktisch keine Kurzschlußprobleme in der Tran­sistorbrücke auftreten.

[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Wechselstrombetrieb von Gasent­ladungslampen mit einer Thyristor-Brückenschaltung zu schaffen, bei der die gleichgerichtete Wechselspannung geglättet wird, dennoch aber unter Betriebsumständen Kurz­schlüsse in der Thyristor-Brückenschaltung vermieden werden.

[0006] Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung eingangs erwähnter Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß an den Ausgang des Vollweggleichrichters und parallel zum Gleichspannungswandler ein Glättungskondensator ange­schlossen ist und der Brückenschaltung ein elektronisches Schaltelement parallel liegt, das in der Umgebung der Nulldurchgänge der Wechselspannungsquelle in seinen leitenden Zustand geschaltet ist.

[0007] Unter Umgebung der Wechselspannungsnulldurchgänge wird in diesem Zusammenhang eine Zeitspanne von nicht mehr als 10 % der Quellenfrequenzperiode vor und nach dem Null­durchgang verstanden.

[0008] Hierdurch wird erreicht, daß der Strom durch die Brücken­thyristoren unterhalb ihres Haltestromwertes absinkt, wodurch die Thyristoren in den nichtleitenden Zustand übergehen (Löschen) und Kurzschlüsse in der Brücke vermie­den werden. Die Zeitdauer des Unterschreitens des Halte­stromes soll dabei oberhalb der Sperrverzugszeit der Thyristoren liegen, um ein sicheres Löschen der Thyristo­ren zu gewährleisten.

[0009] Um die Verluste in dem elektronischen Schaltelement und in dem mit diesem gegebenenfalls in Reihe geschalteten Strom­begrenzungswiderstand gering zu halten, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung während des leitenden Zustan­des des elektronischen Schaltelementes ein damit in Reihe geschalteter im Schaltnetzteil vorhandener, zwischen dem Glättungskondensator und der Brückenschaltung liegender elektronischer Schalter nichtleitend geschaltet. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß der Glättungskondensator geladen bleibt, so daß die Wiederzündung der Lampe erleichtert wird.

[0010] Für das Wiederzündverhalten der Lampe hat es sich als vor­teilhaft erwiesen, wenn das elektronische Schaltelement erst kurz nach den Nulldurchgängen der Wechselspannungs­quelle leitend geschaltet ist. Ebenso hat es sich als vor­teilhaft erwiesen, wenn der elektronische Schalter des Schaltnetzteiles erst kurz nach den Nulldurchgängen der Wechselspannungsquelle nichtleitend geschaltet ist. Kurz­bedeutet hierbei eine Zeitspalte zwischen 0,1 % und 10 % der Quellenfrequenzperiode.

[0011] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Schaltungs­anordnung nach der Erfindung ist zur Ansteuerung des Schaltnetzteiles sowie des elektronischen Schaltelementes ein von der Wechselspannungsquelle gesteuerter monosta­biler Multivibrator vorgesehen, dessen Ausgangsimpulse das elektronische Schaltelement und den elektronischen Schal­ter des Schaltnetzteiles im Takt der Nulldurchgänge der Wechselspannungsquelle ansteuern.

[0012] Zur Speisung des monostabilen Multivibrators kann an die Wechselspannungsquelle ein weiterer Vollweggleichrichter angeschlossen sein, dessen Gleichspannung über einen Spannungsteiler einem Eingang des monostabilen Multivibra­tors zugeführt wird. Zwecks Abflachung der so erzeugten pulsierenden Gleichspannung ist dem Eingang des monosta­bilen Multivibrators eine Zenerdiode parallel geschaltet.

[0013] Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zum Wechselstrombetrieb einer in eine Thyristor-Brückenschaltung aufgenommenen Gasentladungslampe mit einem monostabilen Multivibrator,

Fig. 2a den zeitlichen Verlauf der am Eingang des Multivi­brators anstehenden Spannung,

Fig. 2b die am Ausgang des Multivibrators entstehende Impulsfolge und

Fig. 2c eine von einem weiteren monostabilen Multivibrator erzeugte, gegenüber dem Netznulldurchgang phasenverscho­bene Ausgangsimpulsfolge.

[0014] In Fig. 1 sind mit A und B Eingangsklemmen zum Anschließen an eine Wechselspannungsquelle von z.B. 220 V, 50 Hz be­zeichnet. An diese Eingangsklemmen A und B ist, gegebenen­falls über ein nicht dargestelltes Hochfrequenzfilter, ein Vollweggleichrichter 1 mit vier Dioden angeschlossen, dessem Ausgang 1a, 1b ein Glättungskondensator 2 parallel geschaltet ist. Parallel zu diesem Glättungskondensator 2 ist an den Ausgang 1a, 1b des Vollweggleichrichters 1 ein Schaltnetzteil als Gleichspannungswandler angeschlossen. Der Wandler ist als Durchflußwandler ausgebildet und besteht aus einem elektronischen Schaltelement 3, z.B. einem Hauptschalttransistor, einer Drosselspule 4 und einer Freilaufdiode 6. An den Gleichspannungswandler ist eine Brückenschaltung 9 angeschlossen, in deren Querzweige eine Gasentladungslampe 5 aufgenommen ist. Der Glattungskondensator 2 dient zur Erleichterung der Wieder­zündung der Lampe 5. In Reihe mit der Lampe 5 ist ferner ein als Stromsensor dienender Meßwiderstand 7 eingefügt, an dem eine dem momentanen Lampenstrom-Istwert proportio­nale Istwertspannung abgegriffen wird, die auf einen Ein­gang C einer Steuereinrichtung 8 gegeben wird. Der Lampen­strom wird durch die Steuereinrichtung 8 in an sich bekannter Weise einem an einem Eingang D der Steuerein­richtung 8 anzulegenden Sollwert-Signal nachgeführt. Hier­bei soll der der Wechselspannungsquelle entnommene Strom möglichst sinusförmig verlaufen. Durch das an einem Aus­gang E der Steuereinrichtung 8 entstehendeSignal wird das elektronische Schaltelement 3 leitend bzw. nichtleitend geschaltet. Eine Klemme F der Schalteinrichtung 8 ist mit Masse verbunden. Über eine Klemme G wird der Steuerein­richtung 8 eine von der Drosselspule 4 abgenommene Ver­sorgungsspannung zugeführt.

[0015] Die Gasentladungslampe 5 liegt im Querzweig einer parallel zur Freilaufdiode 6 und der Drosselspule 4 geschalteten Brückenschaltung 9 mit vier Thyristoren 10 bis 13, die von der Wechselspannungsquelle her angesteuert werden können. In diesem Falle müßten die Zündelektroden der Thyristoren 10 bis 13 in an sich bekannter Weise (DE-OS 31 36 919) jeweils über eine Parallelschaltung aus einem Widerstand, einem Kondensator und einer entgegengesetzt gepolten Diode mit den jeweiligen Thyristorkathoden verbunden werden. Außerdem sollten die Zündelektroden von jeweils zwei sich in der Brückenschaltung 9 diagonal gegenüberliegenden Thyristoren 10, 13 bzw. 11, 12 über je einen Widerstand an eine der Eingangsklemmen A bzw. B der Wechselspannungs­quelle angeschlossen werden. (Übersichtshalber ist die Ansteuerung der Thyristoren in der Zeichnung nicht dargstellt).

[0016] Zur Verhinderung von Kurzschlüssen innerhalb der Brücken­schaltung 9 liegt dieser ein elektronisches Schalt­element 14, z.B. ein Transistor, parallel, das in der Umgebung der Nulldurchgänge der Wechselspannungsquelle leitend geschaltet wird. Das elektronische Schaltele­ment 14 liegt in Reihe mit einem Strombegrenzungswider­stand 15 und wird von einem monostabilen Multivibrator 16 angesteuert, der zur Erfassung der Nulldurchgänge der Wechselspannung dient. Hierzu ist an die Wechselspannungs­quelle ein weiterer Vollweggleichrichter 17 angeschlossen, dessen Gleichspannung über einen aus zwei Widerständen 18 und 19 bestehenden Spannungsteiler einem Eingang H-K des monostabilen Multivibrators 16 zugeführt wird. Die vom Spannungsteilerwiderstand 19 abgenommene Multivibrator­eingangsspannung wird durch einen Kondensator 20 etwas geglättet, um HF-Störungen zu unterdrücken, und mittels einer diesem Kondensator parallel geschalteten Zender­diode 21 in der Spitzenspannung begrenzt. Die über der Zenerdiode 21 und damit am Eingang H-K des monostabilen Multivibrators 16 anstehende Spannungs U_H-K hat die in Fig. 2 schematisch gezeigte Kurvenform. An einem Ausgang L des Multivibrators 16 entsteht dann die in Fig. 2b eben­falls nur schematisch gezeigte Impulsfolge (U_L). Am monostabilen Multivibrator 16 läßt sich einstellen, ob der Beginn der einzelnen Impulse auf der abfallenden oder ansteigenden Flanke des in Fig. 2a u.a. gezeigten Signales liegt; auch die Impulsdauer kann über den Multivibrator 16 vorgegeben werden.

[0017] Zur Spannungsversorgung des monostabilen Multivibrators 16 am Punkt M sowie auch anderer Schaltungsbauelemente dient eine stabilisierte Versorgungsgleichspannung von z.B. +10 V, die in üblicher Weise mit Hilfe eines Wider­standes 22, eines Speicherkondensators 23 und einer Zener­diode 24 erzeugt wird.

[0018] Mit dem Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators 16 (Fig. 2b) wird über einen Spannungsteiler 25, 26 die Basis eines Transistors 27 beaufschlagt. Sein Kollektor ist mit der Versorgungsgleichspannung und sein Emitter durch einen weiteren Spannungsteiler 28, 29 mit der Basis des elek­tronischen Schaltelementes 14 verbunden. Die Kollektor/­Emitter-Strecke dieses elektronischen Schaltelementes 14 liegt parallel zur Thyristorbrücke 9. Diese Schaltung bewirkt, daß bei positivem Ausgangssignal des Multivibra­tors 16 das elektronische Schaltelement 14 leitet und somit die Thyristorbrücke 9 kurzschließt bzw. mit dem Strombegrenzungswiderstand 15 überbrückt.

[0019] Um u.a. eine vollständige Entladung des Glättungskondensa­tors 2 während des Kurzschlusses der Thyristorbrücke 9 zu vermeiden, soll während des leitenden Zustandes des elek­tronischen Schaltelementes 14 der damit in Reihe geschal­tete, im Schaltnetzteil vorhandene elektronische Schalter 3 nichtleitend geschaltet werden. Hierfür wird der Emitter des Transistors 27 über einen Strombegrenzungswider­stand 30 mit dem Eingang eines Optokopplers 31 verbunden, dessen Ausgangssignal der Steuereinrichtung 8 zugeführt wird. Dadurch wird die Steuereinrichtung 8 mit einer Impulsfolge beaufschlagt, die simultan mit der Ausgangs­impulsfolge des Multivibrators 16 erfolgt und dazu dient, über die Steuereinrichtung 8 den elektronischen Schalter 3 des Durchflußwandlers während derselben Zeit nichtleitend zu schalten, während der das elektronische Schaltele­ment 14 leitend ist. Hierdurch wird vermieden, daß sich der Glättungskondensator 2 über das niederohmige elektro­nische Schaltelement 14 sowie den relativ kleinen Strom­begrenzungswiderstand 15 entlädt, wodurch Verluste in diesem Widerstand sowie eine weitgehende Entladung des Glättungskondensators 2 vermieden werden. Daher steht nach dem Zünden der Thyristorbrücke 9 sogleich wieder die bei diesem Betrieb relativ hoheSpannung des Glättungskonden­sators 2 an der Lampe 5 an und ermöglicht deren Wiederzün­dung.

[0020] Mit der beschriebenen Schaltungsanordnung war es möglich, sowohl Metallhalogenid- als auch Natriumhochdrucklampen zufriedenstellend zu betreiben. Bei einem Ausführungs­beispiel zum Betrieb einer 40 W-Metallhalogenidlampe mit einer Lampenbrennspannung von 90 V wiesen die wichtigsten Bauelemente der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 folgende Werte auf:

[0021] Durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Nachschal­tung eines weiteren monostabilen Multivibrators hinter den Multivibrator 16 läßt sich eine gegenüber dem Netznull­durchgang phasenverschobene Ausgangsimpulsfolge (U_Lʹ) erzeugen (Fig. 2c), die zu einem späteren Löschen der Thyristoren im leitfähigen Zweig der Brückenschaltung führt. Vorzugsweise soll diese phasenverschobene Ausgangs­ impulsfolge kurz nach den Nulldurchgängen der Wechsel­spannung einsetzen. Dabei darf der Impuls jedoch nur soweit verschoben werden, daß zum Löschzeitpunkt der andere Brückenzweig noch nicht gezündet worden ist, da andernfalls wiederum Kurzschlüsse entstehen können. Durch das spätere Löschen der Thyristoren wird erreicht, daß der Brückenstrom im leitfähigen Zweig und damit auch der Lampenstrom nach dem Nulldurchgang der Wechselspannung noch eine gewisse Zeit fließen kann, während beim unmittelbaren Löschen beim Nulldurchgang von diesem bis zum Zünden des anderen Zweiges kein Strom fließen kann. Daher begünstigt das verspätete Löschen der Thyristoren das Wiederzündverhalten der Gasentladungslampe. Typische Werte für die Impulsdauer sind z.B. etwa 0,1 bis 0,5 msec und 0,1 bis 1 msec für die Phasenverschiebung, das ist also zwischen 0,1 % und 10 % der Quellenfrequenzperiode.

[0022] Abschließend sei noch bemerkt, daß bei der Schaltungs­anordnung nach der Erfindung das Schaltnetzteil nicht nur ein Durchflußwandler zu sein braucht, sondern auch als Sperrwandler, Resonanzwandler oder ähnliches ausgebildet sein kann. Ferner kann die Drosselspule des Durchfluß­wandlers in Reihe mit der Gasentladungslampe im Querzweig der Brückenschaltung liegen. Außerdem kann es von Vorteil sein, zur Vermeidung von Störungen einen Kondensator von z.B. 47 nF parallel zur Thyristorbrücke zu schalten.

Ansprüche

1. Schaltungsanordnung zum Wechselstrombetrieb einer Gasentladungslampe, versehen mit einem an eine Wechsel­spannungsquelle anzuschliessenden Vollweggleichrichter, an dessen Ausgang ein Schaltnetzteil als Gleichspannungs­wandler angeschlossen ist, an den eine Brückenschaltung mit mindestens zwei Thyristoren angeschlossen ist, in deren Querzweig die Lampe aufgenommen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang (1a, 1b) des Vollweggleichrichters (1) und parallel zum Gleich­spannungswandler (3 bis 8) ein Glättungskondensator (2) angeschlossen ist und der Brückenschaltung (9) ein elektronisches Schaltelement (14) parallel liegt, das in der Umgebung der Nulldurchgänge der Wechselspannungsquelle in seinen leitenden Zustand geschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß während des leitenden Zustandes des elektronischen Schaltelementes (14) ein damit in Reihe geschalteter im Schaltnetzteil (3 bis 8) vorhandener, zwischen dem Glättungskondensator (2) und der Brückenschaltung (9) liegender elektronischer Schalter (3) nichtleitend geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Schaltelement (14) erst kurz nach den Nulldurchgängen der Wechselspannungsquelle in seinen leitenden Zustand geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (3) des Schaltnetzteiles (3 bis 8) erst kurz nach den Nulldurchgängen der Wechselspannungsquelle in nichtleitenden Zustand geschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Wechselspannungsquelle gesteuerter monostabiler Multivibrator (16) vorgesehen ist, dessen Ausgangsimpulse das elektronische Schaltelement (14) und den elektronischen Schalter (3) des Schaltnetzteiles (3 bis 8) im Takt der Nulldurchgänge der Wechselspannungsquelle ansteuern.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß an die Wechselspannungsquelle ein weiterer Vollweggleichrichter (17) angeschlossen ist, dessen Gleichspannung über einen Spannungsteiler (18, 19) einem Eingang (H-K) des monostabilen Multivibrators (16) zugeführt wird.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß dem Eingang des monostabilen Multivibrators (16) eine Zenerdiode (21) parallel geschaltet ist.

Zeichnung