Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Last über eine Drossel oder einen Transformator entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Insbesondere dient die Schaltungsanordnung zum Betrieb von Gasentladungslampen. Da solche Schaltungsanordnungen mit Netzgleichrichter grundsätzlich Oberschwingungen im Netzstrom erzeugen, muß die Schaltungsanordnung ein passives oder aktives Oberwellenfilter, wie z.B. einen Hochsetzsteller, enthalten.
Hochsetzsteller benötigen eine Ansteuerung mit einem Taktgeber für den Schalttransistor, um den Oberschwingungsgehalt des vom Netz aufgenommenen Stroms auf die nach VDE 0712 zulässigen Werte zu begrenzen. Bei den bisher bekannten Schaltungen erfolgt dies durch eine Fremdsteuerung, wobei diese gleichzeitig eine aufwendige Sinusführung beinhalten kann.
In der DE-AS 28 25 708 ist eine solche Steuerschaltung mit einer Sinusführung für einen Hochsetzsteller aufgeführt. Die aufwendig gestaltete Schaltungsanordnung für die Steuerschaltung beinhaltet dabei unter anderem einen Pulsgenerator und einen Operationsverstärker.
Ein nicht sinusgeführter Hochsetzsteller mit annähernd sinusförmiger Stromaufnahme für ein elektronisches Leuchtstofflampen-Vorschaltgerät ist in der Abhandlung "Neue Leuchten und Vorschaltgeräte mit reduzierter Anschlußleistung" der SIEMENS Energietechnik 3 (1981), Heft 5, beschrieben. Diese Schaltungsanordnung umfaßt einen Hochsetzsteller als Oberwellenfilter und einen Gegentaktfrequenzgenerator zur Lampensteuerung und weist eine dreieckähnliche Stromaufnahme aus dem Netz auf, die die vorgeschriebene Oberwellenbegrenzung erfüllt. Allerdings besitzen der Frequenzgenerator und der Hochsetzsteller unterschiedliche Taktfrequenzen, so daß es zu Interferenzen zwischen beiden Frequenzen kommt.
In der DE-A-32 33 655 wird ein elektronisches Vorschaltgerät beansprucht, das aus einem aktiven Oberwellenfilter, insbesondere einem Hochsetzsteller, und einem nachgeschalteten Wandler besteht, wobei das Oberwellenfilter und der Wandler über eine gemeinsame externe Steuerschaltung, die von einem Taktgenerator beaufschlagt ist, gesteuert werden. Die Steuerschaltung beinhaltet einen Pulsweitenmodulator zum Betrieb des Hochsetzstellers und einen Impulsgenerator für den Wandler.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die kein Interferieren von Frequenzen möglich macht und ohne Sinusführung auskommt. Die Ansteuerschaltung sollte dabei aus wenigen Bauteilen bestehen und kostengünstig herzustellen sein.
Die Aufgabe wird durch das kennzeichnende Merkmal des 1. Anspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Durch die Basisansteuerung des Schalttransistors des Hochsetzstellers aus demselben Übertrager wie die Transistoren des Gegentaktfrequenzgenerators erhält man einen gemeinsamen Taktgeber für die Transistoren des Gegentaktfrequenzgenerators und für den Schalttransistor des Hochsetzstellers, der eine Interferenz beider ausschließt. Außerdem wird keine zusätzliche Ansteuerschaltung für den Schalttransistor des Hochsetzstellers mit einer großen Zahl von Schaltungselementen benötigt, da die Ansteuerung für den Gegentaktfrequenzgenerator diese Funktion mitübernehmen kann.
Vorteilhaft wird als Übertrager ein StromsättigungsRingkerntrafo verwendet, da hierbei die Verluste sehr gering gehalten werden. Bei geeigneter Wahl der Schaltungselemente kann die Ansteuerwicklung des Stromsättigungs-Ringkerntrafos für den am Minuspol angeschlossenen Transistor des Gegentaktfrequenzgenerators gleichzeitig die Basis des Schalttransistors des Hochsetzstellers speisen. Dadurch wird eine weitere Vereinfachung der Schaltungsanordnung erreicht.
Die Basisansteuerung des Schalttransistors im Hochsetzsteller aus dem Stromsättigungs-Ringkerntrafo erfolgt über einen in Reihe liegenden Begrenzungswiderstand und einen Kondensator. Außerdem ist zur Einstellung der Tastzeit des Transistors dessen Basis mit seinem Emitter über einen einstellbaren Widerstand verbunden.
Für den Fall einer Überlastung durch den Gegentaktfrequenzgenerator sowie für den Einschaltvorgang ist der Hochsetzsteller durch eine Diode in Gleichstromvorwärtsrichtung überbrückt.
Bei einem Hochsetzsteller, wie er oben beschrieben ist, ist die am Ausgang, d.h. am Glättungskondensator vorliegende Spannung in allen Betriebszuständen größer als der hinter dem Netzgleichrichter liegende Spitzenwert der Eingangsspannung. Wird der Schalttransistor vor der Sättigung der Drossel gesperrt, so treibt die Gegenspannung in der Drossel den Strom über die Diode so lange weiter in den Glättungskondensator, bis der Energieinhalt der Drossel dafür nicht mehr ausreicht. Bei einem parallel zum Gleichrichter nachgeschalteten Kondensator stützt sich die Drossel an diesem ab, so daß der Energieinhalt des Kondensators zum vorhandenen Energieinhalt der Drossel noch hinzukommt. Dies alles hat zur Folge, daß die Ausgangsspannung des Hochsetzstellers stark erhöht wird und der Glättungskondensator für eine hohe Betriebsspannung ausgelegt sein muß.
Vor den Hochsetzsteller ist daher in Reihe zum Netzgleichrichter ein weiterer Schalttransistor mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke in Gleichstromvorwärtsrichtung geschaltet, wobei auch dessen Basis aus demselben Stromsättigungs-Ringkerntrafo angesteuert wird wie die Transistoren des Gegentaktfrequenzgenerators. Die Basis des weiteren Schalttransistors ist dazu über einen Begrenzungswiderstand und die Ansteuerwicklung des Stromsättigungs-Ringkerntrafos mit dem Emitter desselben verbunden und an diesem Verbindungspunkt die Kathode einer Diode angeschlossen, deren Anode mit dem Minuspol des Netzgleichrichters verbunden ist.
Mit Hilfe dieses weiteren Schalttransistors sowie der Diode in Gleichstromrückwärtsrichtung stützt sich die Induktivität des Hochsetzstellers alternierend an der Eingangsspannung oder am Nullpotenial ab. Dadurch ist ein ausreichender Spannungshub an der Induktivität vorhanden der gewährleistet daß die Ausgangsspannung am Glättungskondensator nur wenig über der Netzspannungsspitze am Stützkondensator liegt und der vom Netz aufgenommene Strom sehr gut der Sinusform angenähert wird. Durch die Ansteuerung aus dem Stromsättigungs-Ringkerntrafo wird außerdem die notwendige Taktübereinstimmung beider Transistoren erreicht, wobei gleichzeitig auf eine zusätzliche Ansteuerschaltung für diesen weiteren Transistor verzichtet werden kann.
Die Kollektor-Emitter-Strecke des weiteren Schalttransistors ist durch eine Diode in Gleichstromrückwärtsrichtung überbrückt. Dadurch werden gefährliche Spannungsspitzen am Transistor in den Schaltpausen verhindert.
In einer weiteren Ausführung kann bei der Schaltungsanordnung ein Regelverstärker zur Einspeisung einer Gleichspannung über den einstellbaren Widerstand in die Basis des Schalttransistors im Hochsetzsteller vorgesehen sein. Der Regelverstärker erhält dabei sein Regelsignal und seine Spannungsversorgung von einer sekundären Wicklung, die an der Drossel im Lastkreis, am Stromsättigungs-Ringkerntrafo oder an der Drossel des Hochsetzstellers angebracht ist. Wahlweise kann der Regelverstärker sein Signal und seine Spannungsversorgung auch über einen gleichstromentkoppelten Transformator vom Mittenabgriff des Gegentaktfrequenzgenerators erhalten. Durch Einspeisen einer so gewonnenen Gleichspannung wird mit Hilfe des Schalttransistors eine Netzspannungsausregelung am Glättungskondensator ermöglicht, ohne daß sich dabei die Kurvenform des Netzstromes unzulässig ändert.
Die Erfindung ist anhand der nachfolgenden Figuren näher veranschaulicht.
In Figur 1 ist das genaue Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit Hochsetzsteller zum Betrieb einer Niederdruckentladungslampe dargestellt. Am Netzeingang der Schaltungsanordnung liegt ein Gleichrichter GL, zu dessen Gleichstromausgang ein Stützkondensator C1 parallelgeschaltet ist. Der selbststeuernde Gegentaktfrequenzgenerator besteht aus den beiden Transistoren T1, T2 mit den Rückstromdioden D3, D4, den Vorschaltwiderständen R5 bis R8, dem Steuerübertrager und dem Anlaufgenerator mit den Widerständen R4, R9, dem Startkondensator C3, der Diode D2, dem Diac D1 sowie dem Kondensator C4. Der Steuerübertrager arbeitet nach dem Rückkopplungsprinzip und setzt sich aus der Primärwicklung RK 1 sowie den beiden Sekundärwicklungen RK2 und RK3 zusammen, die auf einem gemeinsamen Ringkern sitzen. Die Niederdruckentladungslampe LP ist mit einem Anschluß der Elektrode E1 mit dem Mittenabgriff M zwischen den beiden Transistoren T1, T2 und mit einem Anschluß der anderen Elektrode E2 mit dem Pluspol des Netzgleichrichters GL verbunden.
Außerdem ist ein Serienresonanzkreis aus Resonanzinduktivität L1 Koppelkondensator C5 und Resonanzkondensator C6 vorgesehen, wobei die Resonanzinduktivität L1 und der Koppelkondensator C5 zwischen die Primärwicklung RK1 des Steuerübertragers und den entsprechenden Anschluß der Elektrode E1 und der Resonanzkondensator C6 zwischen die auf der Heizkreisseite liegenden Anschlüsse der Elektroden E1 und E2 geschaltet sind.
Die Funktionsweise einer solchen Schaltungsanordnung mit Gegentaktfrequenzgenerator und Serienresonanzkreis zum Zünden und Betrieb einer Niederdruckentladungslampe kann dem Buch "Elektronikschaltungen" von W. Hirschmann (Siemens AG.), Seite 148, entnommen werden und soll hier nicht näher ausgeführt werden.
Zwischen den Stützkondensator C1 und den Anlaufgenerator des Gegentaktfrequenzgenerators ist ein Hochsetzsteller geschaltet, der sich aus einer Drossel L2, einer Diode D5, einem Schalttransistor T3 und einem Glättungskondensator C2 zusammensetzt. Die Funktionsweise eines Hochsetzstellers kann jedem beliebigen Buch über Schaltnetzteile, wie z.B. dem Buch "Schaltnetzteile - Motorsteuerungen" von Otto Macek, entnommen werden. Die Basis des Transistors T3 ist über eine Reihenschaltung eines Koppelkondensators C7 und eines Widerstands R1 an einem Abgriff zwischen der Ansteuerwicklung RK3 des Transistors T2 und dem Vorwiderstand R6 angeschlossen. Außerdem ist die Basis des Transistors T3 über einen einstellbaren Widerstand R2 mit seinem Emitter verbunden. Der Reihenschaltung aus der Drossel L2 und der Diode D5 ist außerdem eine Diode D6 in Gleichstromvorwärtsrichtung parallelgeschaltet. Durch eine solche Verschaltung wird der Transistor des Hochsetzstellers im gleichen Takt wie die Transistoren des Gegentaktfrequenzgenerators geschaltet. Der Widerstand R1 dient zur Strombegrenzung, der Widerstand R2 zur Einstellung der Tastzeit des Transistors und damit zur Einstellung der Gleichspannung am Glättungskondensator C2. Gleichzeitig wird damit die Versorgungsspannung für den Gegentaktfrequenzgenerator eingestellt. Die Diode D6 dient zu einer Überbrückung des Hochsetzstellers für den Fall einer kurzzeitigen Überlastung des Frequenzgenerators.
Figur 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Niederdruckentladungslampe. Bei dieser Schaltungsanordnung sind zu der in Figur 1 aufgeführten Schaltungsanordnung weitere Schaltungsteile hinzugefügt. So ist zwischen den Pluspol des Gleichrichters GL und die Drossel L3 des Hochsetzstellers ein weiterer Schalttransistor T4 mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke in Gleichstromvorwärtsrichtung geschaltet. Die Basis des Transistors T4 ist über einen Vorwiderstand R3 und über eine weitere Sekundärwicklung RK4 des Steuerübertragers mit seinem Emitter verbunden. Am Verbindungspunkt der Basis mit dem Emitter des Schalttransistors T4 ist eine Diode 8 angeschlossen und in Gleichstromrückwärtsrichtung mit dem Minuspol am Netzgleichrichter GL verbunden. Die Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors T4 ist außerdem durch eine Diode D7 in Gleichstromrückwärtsrichtung überbrückt.
Durch die zusätzlichen Schaltungsteile stützt sich die Drossel L2 bei ihrer Entladung auf Nullpotential ab.
Damit wird ein ausreichender Spannungshub beibehalten, der bei gleichbleibenden Tastzeiten mit + ≦ 0,5 T eine ausreichende Sinusform garantiert und die Spannung am Glättungskondensator C2 nur gering über die Netzspannung ansteigen läßt. Im Fall des Wegfalls der Diode D6 lassen sich am Kondensator C2 auch Spannungen niedriger als die Netzspannung erreichen.
In der folgenden Bestückungsliste sind die Schaltungselemente für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung entsprechend der Figur 2 zum Betrieb einer 36 W-Leuchtstofflampe an 220 V Wechselspannung zusammengestellt:
Figur 3 zeigt eine der Figur 1 entsprechende Schaltungsanordnung, wobei zusätzlich ein Regelverstärker RV vorgesehen ist. Der Regelverstärker ist über den einstellbaren Widerstand R2 mit der Basis des Schalttransistors T3 verbunden. Seine Spannungsversorgung erhält der Regelverstärker RV von einer sekundären Wicklung L4, die an der Drossel L1 des Lastkreises angeschlossen ist. Außerdem ist der Regelverstärker mit dem Minuspol des Netzgleichrichters verbunden.
Mit Hilfe des Regelverstärkers wird dem veränderbaren Widerstand R2 eine Gleichspannung zugeführt, durch die mittels des Transistors T3 die Versorgungsspannung (für den Gegentaktfrequenzgenerator) am Kondensator C2 konstant geregelt wird.
Anstelle der Niederdruckentladungslampe kann mit den in den Figuren 1 bis 3 aufgeführten Schaltungsanordnungen auch eine Hochdruckentladungslampe, wie z.B. eine Metallhalogenid-Quecksilberhochdruckentladungslampe, betrieben werden. Abgesehen von einer gegebenenfalls benötigten Zündeinrichtung ist eine Änderung des jeweiligen Schaltungsaufbaus dafür nicht erforderlich.