Die vorliegende Erfindung betrifft eine Versorgungsschaltung für eine Leuchtröhrenanlage mit einem Hochspannungstransformator gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Für den Betrieb von Hochspannungsleuchtröhren, insbesondere solchen für Leuchtschriften oder Signalanlagen, werden besondere Transformatoren - sogenannte Neontransformatoren - verwendet. Damit sie einerseits die erforderliche Hochspannung zur Zündung der Leuchtröhren erzeugen, anderserseits aber auch die für deren Dauerbetrieb erforderliche Brennspannung abgeben können, sind sie als Streufeldtransformatoren, d.h. mit Luftspalt, ausgebildet.
Bezüglich der Betriebsfrequenz unterscheidet man Niedrigfrequenzanlagen, die direkt mit der üblichen Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz des elektrischen Wechselspannungsnetzes arbeiten, und Hochfrequenzanlagen für Frequenzen ab etwa 12'000 Hz aufwärts.
Da die Grösse induktiver Teile mit der Frequenz abnimmt, können Hochfrequenzanlagen hinsichtlich des Transformators wesentlich kompakter und leichter als Niedrigfrequenzanlagen aufgebaut werden. Bei den Hochfrequenzanlagen ergeben sich allerdings EMV-Probleme (EMV steht für elektro-magnetische Verträglichkeit), indem die Leuchtröhren unvermeidbar als Antennen wirken. Nach den geltenden Vorschriften begrenzt dies nachhaltig die installierbare Leistung. Auch hinsichtlich der Anschlussdrähte ergeben sich Einschränkungen. Wegen der EMV-Problematik müssen diese abgeschirmt ausgeführt sein. Der daraus resultierende Wellenwiderstand begrenzt die Leitungslänge auf ca. 10 m. Bei gewissen Leitungslängen ergeben sich zusätzlich Probleme durch stehende Wellen.
Dass im Niedrigfrequenzbereich oberhalb der Netzfrequenz bis hin zu den erwähnten hohen Frequenzen keine Lösungen existieren hat verschiedene Gründe und liegt unter anderem daran, dass hier die Verluste am Luftspalt des Transformators sowie materialbedingt mit der Frequenz stark zunehmen. Die Materialprobleme werden insbesondere ab etwa 800 Hz kritisch. Mit zunehmender Frequenz wird aus dem bei Streufeldtransformatoren auftretenden Brummen zunehmend auch ein Pfeifen. Im Bereich von 1000 Hz ist dieses Pfeifen besonders störend, weil ein 1000 Hz-Ton einerseits als unangenehm empfunden und andererseits die Empfindlichkeit des menschlichen Ohres im Bereich dieser Frequenz am grössten ist.
Entsprechend den sich in der Praxis ergebenden Anforderungen (vor allem an Leuchtleistung und Länge der Leuchtröhren) sind die Neonanlagen in verschiedene Leistungsklassen unterteilt und zwar sowohl hinsichtlich des Spannungsniveaus als auch der Ströme im Neonkreis. Insgesamt sind derzeit 72 Leistungsklassen normiert mit zwölf unterschiedlichen Spannungen zwischen 750 V und 15'000 V und jeweils acht zugehörigen Strömen. Für jede Spannung und jeden Strom wird dabei ein spezieller Transformator eingesetzt, der in bezug auf Baugrösse, Gewicht sowie die eingesetzten Materialien optimiert ist.
Bei älteren Transformatormodellen war zum Teil am Luftspalt noch eine Luftspaltregelung vorgesehen, so dass der Transformator an unterschiedliche Stromniveaus angepasst werden konnte. Derartige Transformatoren waren im Vergleich mit den heutigen Typen jedoch wesentlich grösser und schwerer und konnten sich auch aus preislichen Gründen gegen die nicht einstellbaren Ausführungen nicht durchsetzen.
Aus der WO96/31095 sind Versorgungsschaltungen für Leuchtröhrenanlagen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, wobei der Transformator primärseitig mit einer gepulsten Gleichspannung beaufschlagt wird. Deren Pulsfreuqenz wird bestimmt durch den Oszillator eines Pulsbreitenmodulators, für welchen als Beispiel der auf dem Markt erhältliche integrierte Schaltkreis "Silicon General SG 3526" angegeben ist. Nach den Herstellerangaben ist die Frequenz des Oszillators zwischen 1 Hz und 350 kHz einstellbar. Sekundärseitig sind dem Transformator Einheiten nachgeordnet, in welchen Gleichspannungspulse geformt werden. Mit diesen Gleichspannungspulsen werden dann die Leuchtröhren beaufschlagt.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Versorgungsschaltung für eine Leuchtröhrenanlage mit einem Hochspannungstransformator im unteren Frequenzbereich anzugeben, welche einfach und kostengünstig und baulich kleiner als heute übliche netzfrequente Anlagen aufzubauen ist und durch welche auch die erwähnte Typenvielfalt an Transformatoren reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgmäss gelöst durch eine Versorgungsschaltung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Die erfindungsgemässe Schaltung ist demnach dadurch gekennzeichnet, dass die Speisespannung eine aus einer sinusförmig modulierten Rechteckspannung durch Filtern gewonnene Wechselspannung mit einer Frequenz von 300 - 800 Hz ist, dass an den Transformator eine Leuchtröhre anschliessbar ist, und dass der Transformator so ausgelegt ist, dass er die Speisespannung auf eine Hochspannung im Bereich von 750 V - 15000 V hochtransformiert.
Durch die gegenüber der Netzfrequenz erhöhte Frequenz der Speisespannung zwischen 300 und 800 Hz, vorzugsweise jedoch 400 Hz, lassen sich Baugrösse und Gewicht des Transformators erheblich reduzieren.
Die durch die Frequenzerhöhung an sich zu erwartende Zunahme der Verluste am Transformator wird durch die Verwendung eines luftspaltfreien Transformators verbunden mit der elektronischen Nachbildung der strombegrenzenden Funktion eines Luftspaltes vermieden.
Durch die Wahl der Frequenz im angegeben Bereich, insbesondere bei Verwendung einer Frequenz von 400 Hz, werden zudem die erwähnten, ab 800 Hz nachhaltig auftretenden Materialprobleme vermieden.
Durch die elektronische Strombegrenzung bzw. eigentlich Stromregelung kann mit besonderem Vorteil auch die derzeitige Typenvielfalt von Neontransformatoren wesentlich reduziert werden.
Für die bevorzugte Frequenz von 400 Hz spricht, dass geeignete Bauteile im Flugzeugbau an sich bekannt sind und von dort mehr oder weniger übernommen werden können.
Ein weiterer Verteil der Verwendung eines luftspaltfreien Transformators ist schliesslich darin zu sehen, dass luftspaltfreie Transformatoren brummfrei sind.
Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
In Fig. 1 sind mit Ph, N und E Klemmen zum Anschluss an die Phase, den Nulleiter und die Schutzerde eines elektrischen 50/60 Hz Wechselspannungsnetzes von z.B. 220/230 V Spannung bezeichnet.
An die Klemmen Ph und N ist eine Gleichrichterschaltung GR angeschlossen, die bei anliegender Wechselspannung eine Gleichspannung erzeugt. Die Gleichrichterschaltung GR könnte z.B. als ungesteuerte Brückenschaltung mit vier Dioden ausgeführt sein.
In dem nachfolgenden Wechselrichter WR wird aus der Gleichspannung wieder eine Wechselspannung erzeugt, welche allerdings eine Rechteckspannung bzw. eine Folge von Rechtecksignalen ist und welche, ggf. nach zusätzlicher Filterung, als Speisespannung für den nachgeschalteten Transformator T dient. Für die Frequenz der Speisespannung wird im folgenden 400 Hz angenommen.
Der Wechselrichter WR ist weiter so ausgebildet, dass die Breite bzw. Dauer der Rechtecksignale variierbar ist. Dies könnte z.B. mittels einer mit Transistoren bestückten Brückenwechselrichterschaltung erreicht werden. Über die Steuerung der Breite der Rechtecksignale kann der Stromfluss in der Schaltung geregelt werden.
Zwischen den Gleichrichter GR und den Wechselrichter WR sowie zwischen letzteren und die Primärwicklung des Transformators T ist vorzugsweise jeweils auch noch ein Filter F1 bzw. F2 zur Glättung bzw. Reduktion von Oberwellen geschaltet. Das Filter F2 bildet mit Vorteil mit der Primärwicklung des Transformators T auch einen Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz auf die Frequenz der Speisespannung abgestimmt ist.
An die Sekundär- oder Hochspannungswicklung des Transformators T ist eine Leuchtröhre L angeschlossen oder anschliessbar, welche jedoch selbst nicht Teil der Versorgungsschaltung ist. Aus Sicherheitsgründen ist die Hochspannungswicklung des Transformators W mit einer Mittelpunktserdung versehen.
Der Transformator T ist mit einem Kern ohne Luftspalt versehen. Um zu verhindern, dass es dadurch im Moment des Zündens der angeschlossenen Leuchtröhre L zu einer kurzschlussähnlichen Situation kommt, ist eine elektronische Regelung EST vorgesehen, welche unter Einwirkung auf den Wechselrichter den Strom I in der Schaltung begrenzt und so die strombegrenzende Funktion des Luftspaltes von Streufeldtransformatoren quasi nachbildet.
Die elektronische Regelung EST ist mit einem Strom-Messsignal MI beschlaufschlagt, welches vorzugsweise primärseitig gemessen wird. Natürlich könnte es auch sekundärseitig ermittelt werden.
Wegen des dort wesentlich höheren Spannungsniveaus ist die primärseitige Ableitung allerdings bevorzugt. Aus dem Messsignal MI erzeugt die elektronische Regelung EST ein Steuersignal S1 für den Wechselrichter WR. Das Steuersiganal S1 bestimmt unter anderem am Wechselrichter WR die erwähnte Breite der Rechtecksignale und damit den Stromfluss in der Schaltung.
Der Transformator T ist so ausgelegt, dass er die vom Wechselrichter WR erzeugte Speisespannung von z.B. 220/230 V auf eine bestimmte Hochspannung im Bereich von 750 V - 15000 V hochtransformiert. Wegen der höheren Frequenz kann der Transformator T im Vergleich mit einem für Netzfrequenz ausgebildeten kleiner und leichter ausgebildet sein. Bei 400 Hz macht das annähernd einen Faktor 2 aus.
Die Regelung EST ist weiter so ausgebildet, dass an ihr, unabhängig bzw. zusätzlich zu der vorbeschriebenen Stromregelung, das Stromniveau stufenweise, z.B. von Hand über einen Drehschalter, verstellt werden kann und zwar derart, dass sich für die jeweilige Hochspannung, die der Transformator T liefert, im Hochspannungskreis gerade die derzeit acht zugehörigen Stromstärken ergeben. Bei einer Hochspannung von 1000 V wären das nach den derzeitigen Vorschriften 18 mA, 25 mA 30 mA, 37 mA, 50 mA, 60 mA, 100 mA und 200 mA. Durch den regelbaren Strom wird die Typenvielfalt von Transformatoren wesentlich reduziert.
Die Regelung EST ist mit Vorteil mit mindestens einem weiteren Eingang für ein Steuersignal S2 versehen, welches z.B. von Schutzvorrichtungen zur Erkennung von Fehlerzuständen wie Leerlauf, Kurzschluss, und/oder Erdschluss stammen kann. Zusätzlich könnten an der Steuerung auch noch ein oder mehrere Ausgänge vorgesehen sein, an welchen ein für den Betriebszustand repräsentatives Informationssignal IS zur Verfügung steht. Die elektronische Regelung als Ganzes sowie die genannten Ein- und Ausgänge können analog oder auch digital ausgeführt sein.
Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausführungsform für die elektronische Regelung EST, wobei angenommen wird, dass der Wechselrichter WR mittels einer mit Transistoren bestückten Brückenwechselrichterschaltung aufgebaut ist.
Die elektronische Regelung EST umfasst einen Komparator K, einen Sinusgenerator G, einen Zweipunktregler ZPR und einen Totzeitgenerator TG. Dem Komparator K wird einerseits das bereits erwähnte Strom-Messignal MI und anderseits ein von dem Sinus-Generator SG erzeugtes Vergleichssignal VS zugeführt. Die Amplitude des des Vergleichssignals lässt sich als Strom-Sollwert SS am Sinusgenerator SG einstellen und zwar vorzugsweise stufenweise, entsprechend den oben erwähnten genormten Stromniveaus.
Der Ausgang ΔI des Komparators K beaufschlagt den Zweipunktregler ZPR, dessen Ausgangssignal über den Totzeitgenerator TG das bereits erwähnte Steuersignal S1 für den Wechselrichter WR bildet. Der Zweipunktregler ZPR schaltet den Wechselrichter WR innerhalb einer vorgegebenen Toleranzbreite z.B. auf den positiven Ausgang, wenn das dem Istwert entsprechende Messsignal IM kleiner als das dem Sollwert SS entsprechende Vergleichssignal VS ist und auf den negativen Ausgang, wenn das dem Istwert entsprechende Messsignal IM grösser als das dem Sollwert SS entsprechende Vergleichssignal VS ist. Der Totzeitgenerator TG stellt lediglich sicher, dass stets nur die zusammengehörigen Paare von Transistoren im Wechselrichter WR gleichzeitig angesteuert und damit Kurzschlüsse im Wechselrichter vermieden werden.
Fig. 3 zeigt noch das von dem Wechselrichter WR in Reaktion auf das Steuersignal S1 bevorzugt erzeugte Spannungspulsmuster. Dieses weist nicht unmittelbar die gewünschte Frequenz der Speisespannung von z.B. 400 Hz auf sondern eine wesentlich höhere Grundfrequenz von z.B. 10000 Hz. Die Frequenz der zu erzeugenden Speisespannung ist der Hochfrequenz jedoch überlagert und lässt sich durch Mittelung aus dieser gewinnen. Die entsprechende Mittelung erfolgt z.B. mittels des oben erwähnten und in Fig. 1 dargestellten Filters F2. Sie ist eine Kurzzeitmittelung, da das Langzeitmittel über das dargestellte Spannungspuslmuster verschwinden muss, ansonsten ein Gleichstrom im Primärkreis des Transformators T fliessen würde.