Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von Entladungslampen
mit einem Eingang, an den eine Netzspannung von einem Versorgungsnetz anschließbar
ist, und einem Ausgang, an den mindestens eine Entladungslampe anschließbar ist, wobei
die Schaltungsanordnung einen Aufwärtswandler aufweist.
Stand der Technik
[0002] Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zum Betreiben von Entladungslampen
nach der Gattung des Hauptanspruchs. Viele Schaltungsanordnungen zum Betreiben von
Entladungslampen weisen eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung auf, um die Eingangsspannung
in eine geeignete oft auch geregelte Gleichspannung umzuwandeln, die als Zwischenkreisspannung
bezeichnet wird und dann in den Wechselrichter eingegeben wird. Die Leistungsfaktorkorrekturschaltung,
die von der Schaltungstopologie her üblicherweise ein Aufwärtswandler ist, bewirkt
eine sinusförmige Stromaufnahme der gesamten Anordnung und gleichzeitig eine geregelte
Zwischenkreisspannung geeigneter Höhe. Diese Schaltungsanordnungen sind in Betriebsgeräten
für Nieder- oder Hochdruckentladungslampen eingebaut, und werden im Allgemeinen von
einer Netzwechselspannung gespeist. Bei der Leistungsfaktorkorrekturschaltung als
Aufwärtswandler ist der Wandlerschalter zwischen den Hin- und Rückführenden Strompfad
der Schaltung angeordnet, liegt also nicht direkt im Hauptstrompfad.
[0003] Um die Zwischenkreisspannung stabil zu halten und um Rippelströme zu begrenzen, besitzen
derartige Schaltungsanordnungen üblicherweise einen sogenannten Zwischenkreiskondensator,
der zwischen die beiden Ausgangsklemmen des Spannungswandlers beziehungsweise der
Leistungsfaktorkorrekturschaltung respektive zwischen die Eingangsklemmen des Wechselrichters
geschaltet ist, und auch als Stützkapazität des Spannungswandlers dient. Wird nun
das Betriebsgerät eingeschaltet, also die gesamte Schaltungsanordnung ans Netz geschaltet,
so wird der Zwischenkreiskondensator, also die Stützkapazität des Aufwärtswandlers
über den Wandlerstrompfad des Aufwärtswandlers in sehr kurzer Zeit über die Wandlerdrossel
und die Boostdiode aufgeladen, was einen sehr hohen Einschaltstrom nach sich zieht,
besonders dann wenn das Einschalten zufällig im Netzscheitel passiert. Im schlimmsten
Fall wird der Kondensator über lediglich eine Netzwelle oder sogar nur eine Netzhalbwelle
aufgeladen. Als Netzscheitel ist hier der Zeitpunkt des (positiven oder negativen)
Scheitelwertes der Netzspannung gemeint. Der Strompfad, über den sich die Stützkapazität
auflädt, wird im Folgenden als Ladestrompfad bezeichnet. Die Höhe des Einschaltstromes
kann ein Mehrfaches (gemessen bis 200x) des Nennbetriebsstromes betragen. Dadurch
ist der Einsatz an einem Überstromschutzschalter begrenzt, da bei gleichzeitigem Einschalten
mehrerer Geräte der Schutzschalter auslöst, obwohl bei Betrachtung des Nennstromes
der Geräte der Maximalstrom des Schutzschalters noch lange nicht erreicht ist.
[0004] Um den Einschaltstrom zu begrenzen, wird daher in der
EP 067 18 67 A eine Schaltungsanordnung vorgeschlagen, die im Strompfad des Wandlers eine Parallelschaltung
aus einem Widerstand und einem Thyristor aufweist. Zum Einschaltzeitpunkt der Schaltungsanordnung
ist der Thyristor nicht leitend und lediglich der Widerstand im Strompfad aktiv. Über
diesen Widerstand wird der Zwischenkreiskondensator langsam und mit geringerem Strom
aufgeladen. Ist der Zwischenkreiskondensator auf eine vorbestimmte Spannung aufgeladen,
so wird der Thyristor leitend, und überbrückt den Widerstand, so dass die Verluste
im Betrieb niedrig gehalten werden. Die Schaltungsanordnung benötigt jedoch viele
zusätzliche Bauteile, und hat den Nachteil einer hohen Verlustleistung zum Einschaltzeitpunkt,
da an dem Strombegrenzungswiderstand eine nicht zu unterschätzende Leistung abfällt.
Aufgabe
[0005] Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von Entladungslampen
mit einem Eingang, an den eine Netzspannung von einem Versorgungsnetz anschließbar
ist, einem Ausgang, an den mindestens eine Entladungslampe anschließbar ist, und einer
Stützkapazität, die zwischen dem Eingang und dem Ausgang angeordnet ist, sowie einem
Schalter, der in einem Ladestrompfad der Stützkapazität liegt anzugeben, die wenige
zusätzliche Bauteile benötigt und nur wenig Verlustleistung erzeugt.
Darstellung der Erfindung
[0006] Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit einer Schaltungsanordnung zum
Betreiben von Entladungslampen mit einem Eingang, an den eine Netzwechselspannung
von einem Versorgungsnetz anschließbar ist, einem Ausgang, an den mindestens eine
Entladungslampe anschließbar ist, einer Stützkapazität, die zwischen dem Eingang und
dem Ausgang angeordnet ist sowie einem Schalter, der in einem Ladestrompfad der Stützkapazität
liegt, wobei die Schaltungsanordnung den Schalter bei ihrem Einschalten zur periodischen
Unterbrechung des Ladestrompfades der Stützkapazität für eine vorbestimmte Zeit taktet.
Durch das Takten des Schalters wird eine vorteilhafte langsame Ladung der Stützkapazität
erreicht, die eine signifikante Reduzierung des Einschaltstromes zur Folge hat.
[0007] Als langsame Ladung der Stützkapazität des Aufwärtswandlers ist im folgenden ein
Aufladen über einen längeren Zeitraum als eine Netzhalbwelle zu verstehen. Dabei wird
ein vorbestimmter Strom nicht überschritten, d.h. dass der von der Schaltungsanordnung
aufgenommene Strom während des Ladevorgangs eine obere Grenze aufweist. Diese obere
Grenze kann z.B. die Nennstromaufnahme der Schaltungsanordnung sein.
[0008] Der Schalter stellt einen zusätzlichen Schalter zum obligatorischen Wandlerschalter
im Aufwärtswandler dar, wenn die Schaltungsanordnung einen Aufwärtswandler aufweist.
Der Schalter wird am besten bei einer geringen momentanen Netzspannung eingeschaltet.
Dabei kann er zeitlich gesehen jeweils in einem Nulldurchgang der Netzspannung eingeschaltet
werden, und vor einer darauffolgenden Scheitelspannung der Netzspannung wieder ausgeschaltet
werden. Er kann aber auch zeitlich gesehen jeweils nach einer Scheitelspannung der
Netzspannung eingeschaltet werden, und im darauffolgenden Nulldurchgang der Netzspannung
wieder ausgeschaltet werden. Schließlich kann er zeitlich gesehen jeweils nach einer
Scheitelspannung der Netzspannung eingeschaltet werden, und vor einer darauffolgenden
Scheitelspannung Û der Netzspannung wieder ausgeschaltet werden. Wichtig ist hierbei,
dass der Schalter zu einem Zeitpunkt eingeschaltet wird, zu dem die momentane Netzspannung
lediglich einen kleinen Betrag größer ist als die Spannung über dem Zwischenkreiskondensator
U
C1. Durch diese Maßnahme ist die treibende Spannung niedrig und der resultierende Strom
klein.
[0009] Die Einschaltdauer des Schalters steigt dabei vorteilhafterweise bei gleichem Einschaltzeitpunkt
(bezogen auf die Netzphase) von einem Nulldurchgang der Netzspannung zum darauffolgenden
Nulldurchgang der Netzspannung. Dadurch kann der Kondensator in gleichmäßigen Etappen
bis auf die Scheitelspannung Û der Netzspannung aufgeladen werden. Bevorzugt hängt
der Ausschaltzeitpunkt des Schalters von einer Spannungserhöhung ΔU der an der Stützkapazität
anliegenden Spannung ab. Um die Kondensatorspannung U
C1 bei jedem Aufladen um den gleichen Spannungswert ΔU zu erhöhen, sollte der Ausschaltzeitpunkt
proportional zu

sein.
[0010] Der Schalter ist vorteilhaft in Serie zur Stützkapazität, bei Vorhandensein eines
Aufwärtswandlers zwischen den Eingangsanschlüssen des Aufwärtswandlers beziehungsweise
der Leistungsfaktorkorrekturschaltung und den Ausgangsanschlüssen des Gleichrichters
angeordnet. Dies birgt den Vorteil, dass der Schalter nur mit dem Rippelstrom des
Kondensators belastet ist und die Verluste im Betrieb somit minimiert werden. Der
Schalter kann aber auch im Ladestrompfad angeordnet sein. Dadurch ist die Flexibilität
bei der Anordnung des Schalters erhöht.
[0011] Der Schalter kann dabei ein Transistor sein, z.B. ein Metalloxidfeldeffekttransistor
(MOS-FET) oder ein Bipolartransistor. Der Schalter kann aber auch ein Thyristor sein.
Elektronische Schalter haben den Vorteil großer Robustheit und Betriebssicherheit
bei gleichzeitig niedrigen Kosten.
[0012] Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
zum Betreiben von Entladungslampen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen
und aus der folgenden Beschreibung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)
[0013] Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
[0014]
- Fig. 1
- eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bei der der Schalter
in Serie zur Stützkapazität zwischen den Ausgangsanschlüssen des Aufwärtswandlers
angeordnet ist.
[0015]
- Fig. 2
- eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bei der der
Schalter an verschiedenen möglichen Stellen in einem Strompfad zwischen einem Eingang
des Aufwärtswandlers und der Stützkapazität angeordnet ist.
[0016]
- Fig. 3
- einige relevante Größen zur Veranschaulichung des langsamen Ladens der Stützkapazität
durch netzspannungssynchrone Taktung des Schalters.
[0017]
- Fig. 4
- ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens ,welches die Schaltungsanordnung
ausführt.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
[0018] Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bei der
der Transistor Q2 in Serie zur Stützkapazität zwischen den Ausgangsanschlüssen des
Aufwärtswandlers 10 angeordnet ist. Diese Anordnung birgt den Vorteil, dass der Transistor
Q2 einfach und preiswert anzusteuern ist, da er direkten Bezug zur Schaltungsmasse,
also dem Potential des Ausganges A-2 hat. Zudem liegt der Transistor Q2 nicht im Hauptstrompfad
des Aufwärtswandlers 10. Der Hauptstrompfad des Aufwärtswandlers 10 ist der Pfad zwischen
den Eingängen E-1, E-2 und den Ausgängen A-1, A-2. Hier fließt der größte Teil des
Stromes, also von E-1 (E-2) nach A-1 über D1/D2, L1 und D5 sowie von E-2 (E-1) über
D3/D4 nach A-2. Der Transistor Q2 ist hier ein MOS-FET, der von der Steuerschaltung
(nicht gezeigt) des Aufwärtswandlers angesteuert wird. Die sonstige Topologie entspricht
einem üblichen Aufwärtswandler. Die Ausgangsanschlüsse des Aufwärtswandlers 10 sind
mit einem Wechselrichter 20 verbunden, dessen Ausgang wiederum mit einer Entladungslampe
5 verbunden ist.
[0019] Fig. 2 zeigt gestrichelt ausgeführt die möglichen Schalterpositionen des Transistors
Q2 im Aufwärtswandler 10. Nur in einer Position muss ein Transistor vorhanden sein.
Die Positionen 1-6 bieten eine größere Flexibilität gegenüber speziellen Anforderungen
der Schaltungsanordnung, dafür muss der Transistor aber den ganzen Wandlerstrom tragen,
was höhere Verluste nach sich zieht, beziehungsweise höhere Bauteilekosten die Folge
sind. Diesbezüglich besonders ungünstig sind die Positionen 3-7, da hier der Transistor
den hochfrequenten Maximal- oder Scheitelstrom des Wandlers und eventuelle Störströme
des Wandlers tragen muß. Die Positionen 1 und 2 sind hier deutlich besser, da hier
der Schalter vom Kondensator C2 geschützt wird, der höher frequente Spannungs- und
Stromspitzen abfängt. Wird der Transistor an einer der Positionen 1, 2, 3 oder 6 angeordnet,
so kann er gleichzeitig bei entsprechender Ansteuerung als Schutz für den Wandlertransistor
Q1 bei Überspannungspulsen dienen.
[0020] Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines Netzsynchron getakteten Betriebes des Transistors
Q2 beim Einschalten der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Das Signal U
Netz ist die Netzspannung, S
T1 ist das Schaltsignal für den Transistor Q1. I
C1 ist der Ladestrom in den Stützkondensator C1, und U
C1 ist die Spannung, auf die der Kondensator aufgeladen wird. Zum Einschaltzeitpunkt
detektiert die Schaltungsanordnung den ersten Nulldurchgang der Netzwechselspannung,
und schaltet den Transistor Q2 für eine erste Zeitspanne t
C1=t
1 ein, die sehr kurz ist. Während dieser Zeit fließt ein Strom in den Kondensator C1,
und lädt ihn auf eine erste Spannung U
t1 auf. Dieses U
t1 entspricht dem ΔU, das in den folgenden Durchgängen als feste Größe das weitere Aufladen
des Kondensators C1 definiert. Im nächsten Nulldurchgang der Netzspannung wird der
Transistor Q2 erneut für eine zweite Zeitspanne t
C1=t
1+t
2 eingeschaltet, und der Kondensator C1 auf eine zweite Spannung U
t2 aufgeladen. Dies ist notwendig, da der Kondensator C1 schon auf die erste Spannung
U
t1 aufgeladen ist und daher im ersten Teil der zweiten Zeitspanne kein Strom fließt,
um den Kondensator zu laden, da der Momentanwert der Netzspannung unter der Kondensatorspannung
U
C1 liegt. Dies kann dem Kurvenverlauf des Ladestroms I
C1 entnommen werden. Die Zeitspanne t
2 ist in diesem Beispiel so definiert, dass der Kondensator immer um eine Spannung
ΔU weiter Aufgeladen wird. ΔU ist hier ein fester Wert, z.B. 20V. Nach der Zeitspanne
t
C1=t
1+t
2 wird der Transistor Q2 wieder ausgeschaltet, und auf den nächsten Nulldurchgang gewartet.
Zum nächsten Nulldurchgang wird dann der Transistor Q2 wieder für eine Zeitspanne
t
C1=t1+t2+t3 eingeschaltet. Diese Vorgehensweise wird solange durchgeführt, bis sich
die über dem Kondensator C1 abfallende Spannung U
C1 um weniger als ΔU von der Netzscheitelspannung Û unterscheidet.
[0021] In einer weiteren Variante des Netzsynchron getakteten Betriebes wird der Kondensator
C1 nicht um jeweils eine feste Spannung ΔU weiter aufgeladen, sondern die Einschaltdauer
des Transistors Q2 wird jeweils um eine feste Zeitspanne vergrößert. Die Zeitspanne,
um die sich die Einschaltzeit t
C1 des Transistors ändert, ist also fest, z.B. t
C1=t
1 im ersten Nulldurchgang, t
C1=2*t1 im zweiten Nulldurchgang usw. Damit ist der jeweilige Anstieg der Ladespannung
des Kondensators unterschiedlich, da die Netzspannung einer Sinusfunktion folgt. Das
Kriterium zum beendigen des Einschaltstrombegrenzungsbetriebes kann ähnlich wie bei
der ersten Variante sein, die Restspannung ΔU, um die sich die Kondensatorspannung
U
C1 von der Netzscheitelspannung Û unterscheidet ist dabei dann eine vorbestimmte feste
Spannung, z.B. 25V.
[0022] Da sich die Aufladung des Kondensators C1 beim Netzsynchron getakteten Betrieb über
mehrere Netzhalbwellen verteilt, ist die resultierende Stromaufnahme entsprechend
geringer. Durch die Netzsynchrone Taktung, die das Aufladen des Kondensators in einem
Nulldurchgang der Netzspannung beginnt, bewegt sich der Spannungshub zwischen Netzspannung
und Kondensatorspannung immer in einem vordefinierten Spannungsbereich, und der daraus
resultierende Ladestrom ist entsprechend klein. Bei entsprechender Konfiguration der
Transistoreinschaltzeiten kann die resultierende Stromaufnahme so eingestellt werden,
dass sie nicht größer ist als die Stromaufnahme im Nennbetrieb der Schaltungsanordnung.
[0023] Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm, das eine Variante des von der Schaltungsanordnung
ausgeführten Verfahrens veranschaulicht. Nach dem Einschalten der Stromversorgung
wird auf den ersten Nulldurchgang der Netzspannung gewartet. Erfolgt dieser, so wird
der Transistor Q2 eingeschaltet. Dann wird gewartet, bis der Kondensator die gewünschte
Spannung ΔU erreicht hat. Dies kann entweder durch direktes Messen der Kondensatorspannung
erfolgen, oder bei einer 50Hz Netzspannung durch folgende Formel:

Δ U ist hierbei die Spannung, um die der Kondensator weiter aufgeladen werden soll.
Ist diese Zeit abgelaufen, so wird der Transistor Q2 wieder abgeschaltet und auf den
nächsten Nulldurchgang der Netzspannung gewartet. Dies wiederholt sich so oft, bis
die Ladespannung U
C1 des Kondensators in etwa der Netzschei-ω=2*π*
fNetz telspannung Û entspricht. Für andere Frequenzen kann die Formel

verwendet werden, wobei ist und f hierbei z.B.
f=50/60
Hz sein kann. Die Ladespannung U
C1 des Kondensators darf dabei noch etwas niedriger sein als die Netzscheitelspannung
Û, da mit dem endgültigen Einschalten des Transistors Q2 noch ein letzter Ladezyklus
stattfindet. Sobald also die am Kondensator anliegende Spannung U
C1 größer ist als z.B. Û-ΔU, wird der Transistor fest eingeschaltet, und die Schaltungsanordnung
geht in den normalen Lampenbetrieb über.
1. Schaltungsanordnung zum Betreiben von Entladungslampen mit einem Eingang (E), an den
eine Netzwechselspannung von einem Versorgungsnetz anschließbar ist, einem Ausgang
(A), an den mindestens eine Entladungslampe (5) anschließbar ist, einer Stützkapazität
(C1), die zwischen dem Eingang und dem Ausgang angeordnet ist sowie einem Schalter
(Q2), der in einem Ladestrompfad der Stützkapazität (C1) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung Ansteuermittel aufweist, um den Schalter (Q2) bei ihrem Einschalten
zur periodischen Unterbrechung des Ladestrompfades der Stützkapazität (C1) für eine
vorbestimmte Zeit zu takten.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung Ansteuermittel aufweist, um den Schalter netzsynchron zu
takten, wobei sie den Schalter zeitlich gesehen jeweils in einem Nulldurchgang einer
anliegenden Netzspannung (UNetz) einschaltet, und vor einer darauffolgenden Scheitelspannung (Û) der Netzspannung
wieder ausschaltet.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung Ansteuermittel aufweist, um den Schalter Netzsynchron zu
takten, wobei sie den Schalter zeitlich gesehen jeweils nach einer Scheitelspannung
(Û) einer anliegenden Netzspannung (UNetz) einschaltet, und im darauffolgenden Nulldurchgang der Netzspannung (UNetz) wieder ausschaltet.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung Ansteuermittel aufweist, um den Schalter Netzsynchron zu
takten, wobei sie den Schalter zeitlich gesehen jeweils nach einer Scheitelspannung
einer anliegenden Netzspannung (UNetz) einschaltet, und vor einer darauffolgenden Scheitelspannung (Û) der Netzspannung
wieder ausschaltet.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltdauer des Schalters von einem Nulldurchgang der Netzspannung zum darauffolgenden
Nulldurchgang der Netzspannung steigt.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausschaltzeitpunkt des Schalters von einer Spannungserhöhung ΔU der an der Stützkapazität
(C1) anliegenden Spannung UC1 abhängt.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der Ausschaltzeitpunkt proportional zu

ist, wobei ω=2*π*
fNetz ist.
8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter in Serie zur Stützkapazität angeordnet ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter in einem Strompfad zwischen einem Eingang der Schaltungsanordnung und
der Stützkapazität angeordnet ist.
10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung einen Aufwärtswandler aufweist, und die Stützkapazität eine
Ausgangskapazität des Aufwärtswandlers ist.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (Q2) ein zusätzlicher Schalter zu einem Wandlerschalter (Q1) des Aufwärtswandlers
ist.
12. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter ein Transistor ist.
13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor ein Metalloxidtransistor oder ein Bipolartransistor ist.
14. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter ein Thyristor ist.
15. Verfahren zum Betreiben von Entladungslampen, mit einer das Verfahren ausführenden
Schaltungsanordnung, die einen Eingang (E), an den eine Netzwechselspannung von einem
Versorgungsnetz anschließbar ist und einen Ausgang (A), an den mindestens eine Entladungslampe
(5) anschließbar ist aufweist, sowie eine Stützkapazität (C1), die zwischen dem Eingang
und dem Ausgang angeordnet ist und einen Schalter (Q2), der in einem Ladestrompfad
der Stützkapazität (C1) liegt,
gekennzeichnet durch folgende mehrfach wiederholte Schritte:
- Detektion eines Spannungsnulldurchgangs einer am Eingang anliegenden Netzwechselspannung,
- Einschalten des Schalters (Q2),
- Prüfen, ob eine vorbestimmte Einschaltzeitspanne (tC1) des Schalters (Q2) erreicht ist, oder Prüfen, ob die an der Stützkapazität (C1)
anliegende Spannung (UC1) um einen vorbestimmten Wert (ΔU) angestiegen ist, wenn ja, dann nächster Schritt,
- Prüfen, ob die an der Stützkapazität (C1) anlegende Spannung (UC1) einen vorbestimmten Wert (Û-ΔU) erreicht hat, wenn nein dann Ausschalten des Schalters
(Q2), wenn ja dann Verfahren beenden.