Schaltungsanordnung für den Hochfrequenzbetrieb von Leuchtstofflampen mit vorzuheizenden Elektroden

Abstract

 Beim Vorheizen der Elektroden (2, 3) fliesst der Hoch­frequenzstrom durch einen Blockkondensator (37), eine Elektrode (2), einen Kondensator (15), dessen Kapazität wesentlich kleiner als die des Blockkondensators (37) ist, einen SIDAC (17), dessen Durchbruchspannung höher als die Brennspannung der Lampe (1) ist, durch die andere Elektro­de (2) und eine Selbstinduktionsspule (13). Bei jedem Ue­berschreiten der Durchbruchspannung des SIDAC (17) ent­steht in der Spule (13) ein Impuls hoher Spannung, der die Leuchtstofflampe (1) bei ausreichender Elektroden­temperatur zündet. Diese brennt mit ihrer unterhalb der Durchbruchspannung des SIDAC liegenden Brennspannung. Der SIDAC (17) sperrt. Die Frequenz des Hochfrequenzstroms ist durch die Induktivität der Spule (13) und zudem beim Vor­heizen durch die Kapazität des Kondensators (15) und bei brennender Lampe (1) durch die viel kleinere Kapazität des sperrenden SIDAC (17) beeinflusst. Die Elektroden (2, 3) werden so mit einer niedrigeren Frequenz, bei der die Kaltstartneigung geringer ist, vorgeheizt und die Leucht­stofflampe (1) brennt mit einer höheren Frequenz, bei der die Lichtausbeute besser ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für den Hochfrequenzbetrieb von Leuchtstofflampen mit vor­zuheizenden Elektroden.

[0002] Es ist bekannt, dass die Lichtausbeute einer Leuchtstoff­lampe mit steigender Betriebsfrequenz zunimmt. Je höher die Frequenz ist, umso mehr neigt aber die Leuchtstoff­lampe dazu, kalt, d.h. bei noch nicht oder nicht ausrei­chend vorgeheizten Elektroden zu zünden. Durch solche Kaltstarts wird die Lebensdauer der Lampe erheblich herab­gesetzt.

[0003] Ein weiterer Vorteil höherer Betriebsfrequenzen besteht darin, dass die untere Grenze der Umgebungstemperatur, bei der die Lampe noch zuverlässig beytrieben werden kann, niedriger liegt als bei einer tieferen Betriebsfrequenz, z.B. bei 50 Hz. Das ist für die Verwendung von Leuchtstoff­lampen in Kühlräumen und im Freien wesentlich. Auch diesem Vorteil steht die bei höheren Frequenzen stärkere Kalt­startneigung als Nachteil gegenüber, auch bei Verwendung von speziallampen für tiefe Temperaturen.

[0004] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, eine Schaltungsanordnung für den Hochfrequenz­betrieb von Leuchtstofflampen mit vorzuheizenden Elektro­den zu schaffen, mit welcher die Neigung zu Kaltstarts ohne Beeinträchtigung der Lichtausbeute und der Betriebs­fähigkeit bei tiefen Umgebungstemperaturen vermieden wer­den kann. In den Patentansprüchen 2 bis 9 sind Ausführungs­möglichkeiten der Erfindung angegeben.

[0005] Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesent­lichen darin zu sehen, dass alle Vorteile des Hochfre­quenzbetriebs ohne die die Lebensdauer verkürzende Kalt­startneigung erzielt werden.

[0006] Im folgenden wird die Erfindung anhand lediglich einen Aus­führungsweg darstellender Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt das Schema einer erfindungsge­mässen Schaltungsanordnung für den Hochfrequenzbetrieb einer Leuchtstofflampe mit vorzuheizenden Elektroden.

[0007] In der Zeichnung ist die Schaltung eines Hochfrequenz-­Vorschaltgerätes für eine Leuchtstofflampe 1 mit vorzu­heizenden Elektroden 2 und 3 dargestellt, das zum An­schluss an ein Wechselstromnetz (220 V) ausgeführt ist. Dieses Vorschaltgerät besteht in seinem grundsätzlichen Aufbau aus einem Gleichrichter 5 mit Wechselstroman­schlüssen 6 und 7 für das Netz und einem Glättungskon­densator 8 für die gleichgerichtete Wechselspannung, die einen Wechselrichter 10 hoher Frequenz speist. Der Wech­selrichter 10 liefert an zwei Anschlüssen 11 und 12 den hochfrequenten Brennstrom für die Lampe 1, die in Reihe mit der für ihren Betrieb erforderlichen Selbstinduktions­ spule 13 liegt; er enthält einen Strompfad 15, 16, 17 mit Anschlüssen 18 und 19, der anstelle des beim Betrieb mit Netzfrequenz üblichen Starters, z.B. Glimmstarters, in Reihe mit den Elektrodenwendeln (Elektroden 2) geschal­tet ist. Die Spule 13 hat einen magnetischen Kern (Ferrit) mit Luftspalt.

[0008] Der Wechselrichter 10 ist im Grundprinzip ein "Half-­Bridge Current-Feedback-Inverter" mit einem Transistor 22 für die Halbwellen der einen Richtung und einen Tran­sistor 23 für die Halbwellen der anderen Richtung ds Hochfrequenzstroms. Er arbeitet gemäss diesem Prinzip mit Stromrückkopplung. Dazu dient ein Stromwandler 27 mit einem magnetischen Kern (Ferrit). Der Kern und die Windungszahl der Primärwicklung 24 sind so bemessen, dass der Kern während eines Teiles jeder Hochfrequenzhalb­welle magnetisch gesättigt ist. Der Stromwandler 27 hat zwei Sekundärwicklungen 25 und 26, die je über einen Wider­stand 28 bzw. 29 im Steuerstromkreis (Basis-Emitter-Kreis) eines der Transistoren 22 und 23 liegen. Dabei sind die Wicklungen 25 und 26 so angeschlossen, dass die Steuer­ströme gegenphasig sind. Zum Anschwingen benötigen Wech­selrichter dieses Prinzips einen Stromstoss. Ein solcher wird beim Einschalten des Wechselrichters 10 durch die Schaltungselemente 32, 33 und 34 erzeugt. Die Funktion dieser und der weiteren Schaltungselemente ist aus der folgenden Beschreibung der Wirkungsweise des Wechselrich­ters 10 ersichtlich. Beispielsweise Daten der Schal­tungselemente sind in Klammern angegeben.

[0009] Nach dem Einschalten des Wechselrichters 10 wird der Kon­densator 33 (100 nF) über den Widerstand 32 (470 Koloohm) geladen und, beim Ueberschreiten der Durchbruchspannung der Zenerdiode 34 (30-36 V) durch einen Stromstoss teil­weise entladen, der über die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 23 fliesst und endet, wenn die Referenz­spannung der Zenerdiode 34 unterschritten wird. Durch diesen Stromstoss wird einer der betriebsmässigen Zu­stände des Wechselrichters 10, in dem einer der Transi­storen 22 und 23 leitend und der andere nichtleitend ist, hergestellt. Der Wechselrichter 10 kann anschwingen.

[0010] Bei leitendem Transistor 22 fliesst ein den Kondensator 37 (68 nF) ladenden Strom durch die an den Anschlüssen 11/12 und 18/19 angeschlossenen Lampe 1, die Primär­wicklung 24, die Spule 13 (5,5 mH), den Transistor 23 und den Widerstand 35 (3,9 Ohm). Bei brennender Lampe 1 fliesst dieser Strom nur zwischen den Anschlüssen 11 und 12, während des Vorheizens der Lampenelektroden 2 und 3 fliesst dieser Strom vom Anschluss 1 durch die Elektro­de 2 (Heizwendel) zum Anschluss 18, durch den Strom­pfad 15, 16, 17 zum Anschluss 19 und von diesem durch die Elektrode 3 zum Anschluss 12. Dies bleibt im folgen­den zunächst unbeachtet. Es wird zuerst die Wirkungsweise des Wechselrichters 10 unabhängig davon beschrieben, ob sein Laststrom der Entladungsstrom oder der Vorheizstrom der Lampe ist, und erst danach auf die Vorgänge beim Vor­heizen der Elektroden 2 und 3 und beim Brennen der Lampe 1 eingegangen. Der den Kondensator 37 ladende, durch 13, 24, 23 und 35 fliessende Strom erzeugt, während er an­steigt, in der Sekundärwicklung 26 einen Steuerstrom, der den Transistor 23 nach dem Ende des zum Anschwingen aus­gelösten Stromstosses leitend halt. Sobald der Primärstrom beginnt, den Magnetkern des Stromwandlers 27 zu sättigen, nimmt dieser Steuerstrom ab. Schliesslich sperrt der Transistor 23 und unterbricht den Ladestrom und damit den Primärstrom des Stromwandlers 27.

[0011] Bei dieser Primärstromunterbrechung wird in der anderen Sekundärwicklung 25 ein Strom induziert, der durch die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 22 fliesst, so dass dieser leitend wird. Nun fliesst ein den Kondensator 37 entladender Strom durch den Transistor 22, den Widerstand 40 (3,9 Ohm), die Primärwicklung 24, die Lampe 1 und die Spule 13. Der Anstieg des nun zum vorherigen Ladestrom entgegengesetzten Entladestromes in der Primärwicklung 24 induziert in der Sekundärwicklung 25 einen Strom, der dieselbe Richtung hat wie der Strom, der vorher in der­selben Sekundärwicklung 22 erzeugt wurde, als der Lade­strom abnahm. Also hält der nun in der Sekundärwicklung 25 induzierte und durch die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 22 fliessende Steuerstrom den Transistor 22 leitend. Sobald der den Kondensator 37 über 22, 40, 24, 13 und 1 entladende Strom beginnt, der Kern des Strom­wandlers 27 zu sättigen, nimmt der ihn aufrecht erhal­tende, in der Sekundärwicklung 25 induzierte Steuerstrom ab. Schliesslich sperrt der Transistor 22. Dabei indu­ziert der Stromabfall in der Primärwicklung 24 einen Strom in der Sekundärwicklung 26, durch den der Transistor 23 leitend wird. Damit beginnt der beschriebene Zyklus von neuem.

[0012] Wenn der Transistor 23 oder 22 in den Sperrzustand über­geht, bewirkt der Kondensator 38, dass der durch die Pri­märwicklung 24 in der einen bzw. anderen Richtung flies­sende Strom noch kurze Zeit durch unterschiedliche Lade­spannungen der Kondensatoren 37 und 38 (3,3 nF) aufrecht­erhalten wird, so dass der andere Transistor 22 bzw. 23 erst nach Ablauf dieser Zeit leitend wird. Dadurch wird verhindert, dass beide Transistoren 22 und 23 infolge unterschiedlicher Ansprechzeiten gleichzeitig leiten, wo­durch die am Kondensator 8 liegende Gleichstromspeise­spannung des Inverters 10 kurzgeschlossen und die Tran­sistoren zerstört würden. Der Unterschied der Ladespan­nungen an den Kondensatoren 37 und 38 ist darauf zurück­ zuführen, dass der Kondensator 37 eine viel grössere Kapazität als der Kondensator 38 hat, und dass in seinem Lade- bzw. Entladestromkreis die Lampe 1, die Spule 13 und die Primärwicklung 24 liegt, während der Kondensator 38 viel kleinerer Kapazität über den kleinen Widerstand 35 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 23, deren Widerstand im leitenden Zustand klein ist, gela­den und über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 22, deren Widerstand im leitenden Zustand klein ist, und den ebenfalls kleinen Widerstand 40 entladen wird. Die Zeitkonstante des Kondensators 38 und Widerstands 39 (220 Kiloohm) ist wesentlich grösser als die Wechsel­richterhalbperiode.

[0013] Die Dioden 42 und 43 fördern den Zündvorgang, bei dem - wie weiter unten beschrieben - die Zündspannung an der Spule 13 entsteht, deren eines Ende direkt mit der Lam­penelektrode 3 verbunden ist. Vom anderen Spulenende fliesst der Zündstrom durch die Primärwicklung 24 und je nach seiner Richtung durch die Diode 42 und den Kon­densator 37 oder durch die Diode 43, den Kondensator 8 und den Kondensator 37 zur anderen Elektrode 2. Die Dio­den 42 und 43 schützen die Transistoren vor Spannungen in Sperrichtung, die auch bei den Unterbrechungen des Primärstroms in Stromwandler 27 auftreten. Die Diode 45 verhindert, dass der Wechselrichter 10 im schwingenden Zustand nochmals über die Schaltungselemente 32, 33, 34 zum Anschwingen angestossen wird.

[0014] Wie ersichtlich, ist die vom Wechselrichter 10 (ohne die Lampe 1, 2, 3 und ohne den Strompfad 15, 16 17) er­zeugte Frequenz wesentlich durch das Sättigungsverhalten des Stromwandlers 27 bestimmt. Der Wechselrichter 10 schwingt auch ohne die Lampe 1 und die Spule 13, wenn an deren Stelle ein Widerstand (z.B. 1170 Ohm) angeschlossen wird, mit einer Frequenz, die höher ist (50 kHz) als die Frequenz beim Betrieb der Lampe 1. Diese Frequenz ist, wie im folgenden erläutert, beim Vorheizen der Lampenelektro­den 2 und 3 tiefer (ca. 25 kHz) als bei brennender Lampe 1 (ca. 35 kHz), so dass die Kaltstartneigung der Lampe 1 während des Vorheizens der Elektroden 2 und 3 durch die niedrigere Frequenz behoben ist, und biem Brennen der Lam­pe die grössere Lichtausbeute der höreren Frequenz zur Geltung kommt.

[0015] Dazu ist ausser de Spule 13, die in üblicher Weise in Reihe mit der Entladungsstrecke der Lampe 1 liegt, die im Heizstromkreis der Elektroden 2 und 3 liegende Reihen­schlatung des Kondensators 15 (3300 pF), des Widerstands 16 (220 Ohm) und des SIDAC 17 (130 V) vorgesehen, deren Scheinwiderstand (ohne den SIDAC 17) im wesentlichen durch die Kapazität des Kondensators 15 bestimmt ist, die we­sentlich kleiner ist als die des Kondensators 37. Die Durchbruchspannung des SIDAC 17 ist höher als die Brenn­spannung der Lampe 1 bei der höheren Frequenz (35 kHz). Die Kapazität des Kondensators 15 und die Induktivität der Spule 13 sind so bemessen, dass bei der niedrigeren Frequenz (25 kHz), also vor dem Zünden der Lampe 1, ein angemessener Vorheizstrom durch die Elektroden 2 und 3 fliesst und dass der Spannungsabfall an der Reihenschal­tung 15, 16, 17 hinreichend unter der Spannung liegt, bei der die Lampe 1 mit der höheren Frequenz (35 kHz) brennt, und dass bei der höheren Frequenz mit der Induktivität der Spule 13 ein optimaler Entladungsstrom erreicht wird, wo­bei die Reihenschaltung 15, 16, 17 stromlos ist, weil die Brennspannung der Lampe 1 kleiner als die Durchbruch­spannung des SIDAC 17 ist.

[0016] Wenn der Wechselrichter 10 mit der Lampe 1 eingeschaltet wird, fliesst durch 37, 15, 16, 17 und 13 ein Hochfre­quenzstrom, dessen Frequenz unter der Wirkung des Kon­densators 15 und der Spule 13 niedriger (25 kHz) ist als die Frequenz (50 kHz), mit der der Wechselrichter 10 ohne diese Schaltungselemente schwingen würde. Der Hochfre­quenzstrom besteht aus in Abständen aufeinander folgen­den Halbwellen, deren jede sehr steil ansteigt, wenn die Durchbruchspannung des SIDAC 17 erreicht wird. Diese sehr plötzlichen Stromanstiege induzieren an der Spule 13 Spannungsimpulse, deren Spannung zum Zünden der Lampe 1 führt, sobald deren Elektroden 2 und 3 vorgeheizt sind. Wenn die Lampe 1 dann gezündet ist, fällt die Spannung an der Reihenschaltung 15,16, 17 auf die Brennspannung der Lampe 1, und damit fällt die Spannung am SIDAC 17 unter dessen Durchbruchspannung. Die Reihenschaltung 15, 16, 17 wird stromlos. Nun liegt nicht mehr die Kapazität des Kondensators 15 sondern die sehr viel kleinere Kapa­zität (50 bis 100 pF), die der SIDAC 17 im Sperrzustand darstellt, in Reihe mit der Selbstinduktion der Spule 13, denn bei der Reihenschaltung der Kapazitäten des Konden­sators 15 und des SIDAC 17 fällt erstere als die wesent­lich grössere ausser Betracht. Parallel zur Kapazität des SIDAC 17 und der Lampe 1 liegt noch die Kapazität der an diese angeschlossenen Leitungen. Die Gesamtkapazität ist wesentlich kleiner als die des Kondensators 15. Deshalb schwingt der Wechselrichter 10 nun mit der höheren Fre­quenz (35 kHz), und es wird die mit der höheren Frequenz höhere Lichtausbeute erzielt.

[0017] Mit dem beschriebenen Wechselrichter 10 können auch meh­rere Leuchtstofflampen parallel gespeist werden, wobei jeder Lampe eine Spule 13 und ein Heizstrompfad 15, 16, 17 zuzuordnen ist.

[0018] Zur Funkenstörung kann vor den Wechselrichter 10 oder den Gleichrichter 5 ein Störschutzfilter für die Harmoni­schen der Wechselrichterfrequenz, beispielsweise ein sog. "Boost Converter" geschaltet sein.

[0019] Zum Betrieb der Leuchtstofflampe 1 anstelle einer Glüh­lampe kann der Wchselrichter 10 zusammen mit dem Gleich­richter 5, 8 (und gewünschtenfalls einem Störschutzfil­ter) in ein Zwischenstück eingebaut sein, das einen dem Glühlampensockel entsprechenden, mit den Anschlüssen 6 und 7 von einer Glühlampenfassung aufzunehmenden Sockel und eine die Leuchtstofflampe 1 auswechselbar aufnehmende Fassung mit Kontakten für die Anschlüsse 11, 12, 18 und 19 hat.

[0020] Versuche haben ergeben, dass die an der Anzahl der Ein­schaltvorgänge (Starts, Zündungen) gemessene Lebensdauer der Lampe mit der beschriebenen Schaltungsanordnung ca. 60 000 Einschaltungen beträgt, während sie mit bisheri­gen Vorschaltgeräten nur ca. 35 000 bis 40 000 Einschal­tungen betrug.

Ansprüche

1. Schaltungsanordnung mit einem Hochfrequenzerzeuger (10) für den Betrieb einer Leuchtstofflampe (1) mit vorzuheizen­den Elektroden (2, 3), dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Hochfrequenzerzeugers (10) während des Vor­heizens der Elektroden (2, 3) der Leuchtstofflampe (1) niedriger als bei brennender Lampe ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstinduktion einer in Reihe mit der Lampe (1) liegenden, den Vorheizstrom und den Brennstrom der Lampe begrenzenden Spule (13) mitbestimmend für die Frequenz des vom Hochfrequenzerzeuger (10) erzeugten Stromes ist, und dass im Elektrodenvorheizstromkreis die Spule (13) in Reihe mit einem Kondensator (15) und einem symmetri­schen Schaltungselement (17) liegt, das beim Ueberschrei­ten einer Spannung, die höher als die Brennspannung der Lampe (1) ist, stromdurchlässig wird.

3. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­net, dass die Spule (13) einen magnetischen Kern und dieser Kern einen Luftspalt hat.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­net, dass das symmetrische Schaltungselement (17) ein SIDAC ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe mit dem Kondensator (15) und dem symmetrischen Schaltungselement (17) ein Wider­stand (16) geschaltet ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstromerzeuger ein Wechsel­richter (10) mit Stromrückkopplung durch einen bis in den magnetischen Sättigungsbereich seines Kern betriebe­nen Stromwandler (27) ist, dessen Primärwicklung (24) im die Lampe (1) beim Brennen und beim Vorheizen der Elektro­den (2, 3) speisenden Stromkreis liegt, und der (27) zwei Sekundärwicklungen (25, 26) hat, deren jede im Steuer­stromkreis eines von zwei steuerbaren Halbleiterelemen­ten (22, 23) liegt, die abwechselnd den Strom der einen und den Strom der zu dieser entgegengesetzten Halbwelle des erzeugten Hochfrequenzstroms leiten.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im die Leuchtstofflampe (1) beim Vorheizen ihrer Elektroden (2, 3) und beim Brennen spei­senden Hochfrequenzstromkreis (15, 16, 17; 1) ein Block­kondensator (37) liegt, dessen Kapazität ein Vielfaches der Kapazität des Kondensators (15) ist, der in Reihe mit dem symmetrischen Schaltungselement (17) geschaltet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­zeichnet, dass jedes der beiden steuerbaren Halbleiter­elemente (22, 23) durch eine Diode (42, 43) mit zum Halb­leiterelement entgegengesetzter Polung überbrückt ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenzerzeuger (5, 8, 10) in ein Zwischenstück eingebaut ist, das mit einem an­stelle einer Glühlampe von einer Glühlampenfassung auf­zunehmenden, mit den Stromversorgungsanschlüssen (6, 7) des Hochfrequenzerzeugers verbundenen Sockel und mit einer die Lampe (1) auswechselbar aufnehmenden Fassung verse­ hen ist, die für jede der heizbaren Lampenelektroden (2, 3) ein Kontaktpaar (11, 18; 12, 19) hat.

Zeichnung