Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Vorschaltgerät für Leuchtstofflampen
mit einem Wechselrichter in Gestalt einer aus Schalter- und Kondensatorzweigen bestehenden
Brückenanordnung, bei dem dem Wechselrichter eingangsseitig die Netzwechselspannung
über eine Gleichrichterschaltung zugeführt und ausgangsseitig wenigstens ein Lastkreis,
bestehend aus der Reihenschaltung einer Drossel mit der Parallelschaltung aus einem
Zündkondensator und einer Leuchtstoffröhre, angeschaltet ist, bei dem ferner die Gleichrichterschaltung
eingangsseitig einen Gleichrichter aufweist, der ausgangsseitig über wenigstens eine
für den gleichgerichteten Netzwechselstrom in Durchlaßrichtung gepolte Diode mit
dem den Ausgang der Gleichrichterschaltung bildenden Ladekondensator in Verbindung
steht und bei dem zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt von Gleichrichter und
Diode und demjenigen ausgangsseitigen Anschluß des Wechselsrichters, dem Lastkreis
und elektrisch wirksamer Brückenkondensator gemeinsam angeschaltet sind, ein Sinus-Korrekturkondensator
vorgesehen ist.
Zugrunde liegender Stand der Technik
[0002] Ein elektronisches Vorschaltgerät dieser Art ist beispielsweise in der Literaturstelle
DE 33 19 739 Al bekannt. Der Sinus-Korrekturkondensator dient dabei der vorgeschriebenen
Sinusform des im Betrieb vom Vorschaltgerät aus dem Netz aufgenommenen Stromes. Solange
sich die Schaltfrequenz des Wechselrichters nicht ändert, nimmt das Vorschaltgerät
eine konstante Energie aus dem Netz auf. Dies bedingt eine starke Abhängigkeit der
wirksamen Betriebsspannungen von Änderungen der Netzspannung und/oder der vom Wechselrichter
gespeisten Last. Diese Abhängigkeit erfordert geräteintern nicht nur eine Auslegung
des die Versorgungs-Gleichspannung für den Wechselrichter stützenden Elektrolytkondensators
für einen höheren Spannungwert sondern macht auch besondere Maßnahmen zur Überwachung
dieser Gleichspannung erforderlich. Erkennt die Überwachung eine zu hohe interne
Gleichspannung, so schaltet sie entweder das ganze Vorschaltgerät ab oder legt die
durch den Sinus-Korrekturkondensator bewirkte Sinus-Korrekturfunktion lahm. Mit beiden
Maßnahmen sind gravierende Betriebsnachteile verbunden. In dem einen Falle erlischt
die Leuchtstofflampe, im zweiten Falle ist die vorschriftsmäßige Stromaufnahme aus
dem Netz nicht mehr gegeben, was zu unzulässigen Oberschwingungen und einer Leistungsfaktorverschlechterung
führt.
Offenbarung der Erfindung.
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein elektronisches Vorschaltgerät
der einleitend erwähnte Art eine weitere Lösung anzugeben, die mit Hilfe einfacher
schaltungstechnischer Maßnahmen die geschilderten Betriebsnachteile bei Änderungen
der Netzwechselspannung und/oder der Last des Lastkreises unterbindet.
[0004] Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
[0005] Zweckmäßige Ausgestaltungen des Gegenstandes nach dem Patentanspruch 1 sind in den
weiteren Patentansprüchen 2 bis 7 angegeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
[0006] In der Zeichnung bedeuten die der näheren Erläuterung der Erfindung dienenden Figuren
Fig. 1 eine bekannte Ausführungsform eines von Sinus-Korrekturkondensatoren Gebrauch
machenden elektronischen Vorschaltgerätes,
Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform des elektronischen Vorschaltgerätes nach der
Erfindung,
Fig. 3 ein Zeitdiagramm des Stroms durch die Ladedrossel der Gleichrichterschaltung
des Vorschaltgerätes nach Fig. 2,
Figuren 4 - 7 die Schaltung nach Fig. 2 mit hierin eingezeichneten Strömen bei den
verschiedenen Schaltphasen des Wechselrichters.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
[0007] Die Schaltung für ein bekanntes elektronisches Vorschaltgerät nach Fig. 1 besteht
aus einem Wechselrichter WR, dem die Netzwechselspannung un über eine Gleichrichterschaltung
GS eingangsseitig zugeführt ist. Der Wechselrichter WR besteht aus einer Schalterbrückenanordnung,
die in zwei Zweigen jeweils einen Schalter SH und SL und in zwei Zweigen einen Kondensator
CH und CH′ aufweisen. Der Ausgang des Wechselrichters WR ist durch die gemeinsamen
Verbindungspunkte einerseits der beiden Schalter SH, SL und andererseits der Kondensatoren
CH, CH′ gegeben, an dem der Lastkreis LA angeschaltet ist. Der Lastkreis LA besteht
seinerseits aus der Reihenschaltung der Drossel L mit der Parallelschaltung aus dem
Zündkondensator CZ und der Leuchtstoffröhre LL. Die Schalter SH und SL werden im
Wechsel einer sie steuernden, nicht angegebenen Hochfrequenzschwingung auf- und zugesteuert.
Auf diese Weise wird der Lastkreis im Rhythmus der Hochfrequenzschwingung mit einer
rechteckigen Wechselspannung beaufschlagt, deren Amplitude durch die am Wechselrichtereingang
anliegende Ladekondensatorspannung UE bestimmt ist.
[0008] Die Gleichrichterschaltung GS weist eingangsseitig einen Gleichrichter GL für eine
Doppelweggleichrichtung auf, dessen Ausgangsanschlüsse jeweils über eine in Richtung
des gleichgerichteten Wechselstroms gepolte Diode DK bzw. DK′ mit dem Ladekondensator
CEL verbunden sind, der die gleichgerichtete Netzwechselspannung stützt und zugleich
den Ausgang der Gleichrich terschaltung GS darstellt. Damit der Wechselrichter WR
im Betrieb einen Strom aus dem Netz entnimmt, der die geforderte Sinusform aufweist,
ist zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt eines ausgangsseitigen Anschlusses
des Gleichrichters GL und einer Diode DK bzw. DK′ einerseits und dem gemeinsamen Verbindungspunkt,
der durch die Kondensatoren CH, CH′ gegebenen gemeinsamen Verbindungspunkt der kapazitiven
Schalterzweige der Schalterbrückenanordnung des Wechselrichters WR ein Sinus-Korrekturkondensator
CS bzw. CS′ vorgesehen. Weiterhin weist der Wechselrichter WR die für den einwandfreien
Schalterbetrieb noch erforderlichen Freilaufdioden DFL und DFH parallel den durch
Leistungstransistoren verwirklichten Schaltern SL und SH auf.
[0009] Wie bereits darauf hingewiesen worden ist, hat diese bekannte Schaltung die Eigenschaft,
daß der Wechselrichter WR aus dem Netz eine konstante Energie aufnimmt, solange sich
die Schaltfrequenz seiner Schalter SH und SL nicht ändert. Daraus resultiert eine
starke Abhängigkeit der Schaltung von Netzspannungsänderungen und/oder Änderungen
der Last des Lastkreises LA. Bei abnehmender Wechselspannung oder abnehmender Last
des Lastkreises erhöht sich somit die Ladekondensatorspannung UE sehr rasch über
einen zulässigen Grenzwert hinaus, was Schutzmaßnahmen bedingt, die die bereits geschilderten
gravierenden Betriebsnachteile aufweisen.
[0010] Die bekannte Schaltung nach Fig. 1, die einen symmetrischen Aufbau zeigt, läßt sich,
ohne daß ihre Funktion eine Änderung erfährt, dadurch vereinfachen, daß einerseits
auf die Diode DK′ und den Sinus-Korrekturkondensator CS′ verzichtet wird. In gleicher
Weise kann, da die beiden Kondensatoren CH und CH′ in ihrer elektrischen Wirksamkeit
einander parallel liegen, auf den Kondensator CH′ bei gleichzeitiger Verdoppelung
des Kapazitätswertes des Kondensators CH im folgenden elektrisch wirksamer Brückenkondensator
CH genannt, verzichtet werden.
[0011] Eine solche vereinfachte Wechselrichterschaltung zeigt die bevorzugte Ausführungsform
eines elektronischen Vorschaltgerätes nach der Erfindung in Fig. 2. Die Schaltung
des Wechselrichters WR ist im Unterschied zum Wechselrichter WR nach Fig. 1 nunmehr
durch die Reihenschaltung zweier Klammerdioden DBL und DBH ergänzt, die bei gegensinniger
Polung zur Ladekondensatorspannung am Ladekondensator CEL, diesem parallel angeschaltet
sind. Dabei ist ihr gemeinsamer Verbindungspunkt zugleich der dem Lastkreis LA und
dem elektrisch wirksamen Brückenkondensator CH gemeinsamer ausgangsseitiger Anschluß
des Wechselrichters WR. Der elektrisch wirksame Brückenkondensator CH stellt dabei
den Halbbrückenkondensator der Schalterbrückenanordnung dar.
[0012] Durch die Klammerdioden DBH und DBL wird dafür gesorgt, daß bei auftretenden Netzspannungsschwankungen
und/oder Änderungen der Last des Lastkreises LA einerseits das Bezugspotential GND
und andererseits das Zwischenkreispotential UZW und damit die Ladekondensatorspannung
US weitestgehend stabil gehalten werden. Ein Abschalten des kompletten Gerätes oder
aber ein Lahmlegen der Sinus-Korrekturfunktion zum Schutz vor unzulässigen Überspannungen
ist daher nicht mehr erforderlich.
[0013] Die bevorzugte Schaltung des elektronischen Vorschaltkreises nach Fig. 2 unterscheidet
sich von der bekannten Schaltung nach Fig. 1 weiterhin dadurch, daß im Verbindungsweg
zwischen dem einen ausgangsseitigen Anschluß des Gleichrichters GL und dem gemeinsamen
Verbindungspunkt von Diode DK und Sinus-Korrekturkondensator CS eine Ladedrossel
LK vorgesehen ist und daß darüber hinaus die Netzwechselspannung un der Gleichrichterschaltung
GS über ein Oberwellenfilter FE zugeführt wird.
[0014] Zweckmäßig ist die Induktivität der Ladedrossel LK für einen Wert bemessen, bei dem
die Ladedrossel LK im Rhythmus der Hochfrequenzschwingung für die Steuerung der Schalter
SH und SL nur bei kleinen Werten des augenblicklichen Netzwechselstromes, also im
Bereich seiner Nulldurchgänge, voll umgeladen wird. Ein entsprechendes Zeitdiagramm
des Ladedrosselstromes ilk zeigt Fig. 3. Die Induktivität der Ladedrossel LK muß hierzu
relativ groß gewählt werden. Bei kleiner Induktivität läßt sich zwar der Oberschwingungsanteil
des Netzstromes verringern jedoch wird dann ein größerer Aufwand im Bereich des Oberwellenfilters
FE erforderlich, um die Forderungen an eine ausreichende Funkentstörung zu gewährleisten.
Bei der angegebenen Bemessung der Induktivität der Ladedrossel LK bleibt die hochfrequente
Strommodulation noch in kleinen Grenzen, so daß der Aufwand für das Oberwellenfilter
FE, wie in Fig. 2 angedeutet ist, sich auf eine zwei Wicklungen aufweisende Drossel
und einen Kondensator beschränken läßt.
[0015] Der Vollständigkeit halber soll aber nicht unerwähnt bleiben, daß die Induktivität
der Ladedrossel LK grundsätzlich in weiten Grenzen variiert werden kann, ohne daß
hierdurch die Begrenzerwirkung der Klammerdioden DBH und DBL eine Beeinträchtigung
erfährt.
[0016] Für eine optimale Begrenzerfunktion der Klammerdioden DBH und DBL ist es wesentlich,
daß der elektrisch wirksame Brückenkondensator CH einen Wert hat, bei dem seine Ladespannung
dem hochfrequenten Lastkreisstrom weitgehend folgt. Weiterhin ist es zweckmäßig,
die Kapazität des Sinus-Korrekturkondensators CS wesentlich größer als die Kapazität
des elektrisch wirksamen Brückenkondensators CH zu wählen. Das Kapazitätsverhältnis
von Sinus-Korrekturkondensator CS zum elektrisch wirksamen Brückenkondensator CH
hat zweckmäßig einen Wert zwischen 1,5 und 4, vorzugsweise den Wert 2.
[0017] Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 2 ist diese Schaltung
in den Fig. 4 bis 7 noch einmal dargestellt und zwar zusammen mit den wichtigsten
während einer Netzspannungshalbwelle auftretenden Strömen in Abhängigkeit der unterschiedlichen
Schalterstellungen der Schalter SL und SH innerhalb einer Periode der hochfrequenten,
die Schalter steuernden Oszillatorschwingung. Eine solche Schaltperiode weist vier
voneinander zu unterscheidende Schaltphasen auf. Die Schaltphase 1, bei der der Schalter
SL geschlossen und der Schalter SH geöffnet ist, ist in Fig. 4 dargestellt. Die folgende
zweite Schaltphase zeigt Fig. 5, bei der beide Schalter SH und SL geöffnet sind. In
der dritten Schaltphase ist der Schalter SL geöffnet und der Schalter SH geschlossen
und in der vierten, in Fig. 7 dargestellten Schaltphase sind wiederum entsprechend
der zweiten Schaltphase nach Fig. 5 beide Schalter SH und SL geöffnet.
[0018] Die in den Fig. 4 - 7 beschriebenen Ströme gelten natürlich nur für einen bestimmten
momentanen Wert der Netzwechselspannung un. Nur der Vollständigkeit halber sei erwähnt,
daß im Nulldurchgang der Netzwechselspannung un weder über die Ladedrossel LK noch
über den Sinus-Korrekturkondensator CS Strom fließt. Der Betriebsstrom für die Leuchtstoffröhre
LL im Lastkreis wird ausschließlich dem Ladekondensator CEL und dem Brückenkondensator
CH entnommen.
[0019] In allen Figuren 4 bis 7 sind neben der Ladekondensatorspannung UE weitere Spannungen
eingetragen und zwar sind die gleichgerichtete Netzwechselspannung UN am Ausgang
des Gleichrichters, und die korrigierte gleichgerichtete Netzwechselspannung UK am
gemeinsamen Verbindungspunkt der Ladedrossel LK und der Diode DK gegen das Bezugspotential
GND angegeben. Weiterhin sind noch die Brückenkondensatorspannung UH am elektrisch
wirksamen Brückenkondensator CH, die Sinus-Korrekturkondensatorspannung US am Sinus-Korrekturkondensator
CS und die Wechselrichterspannung UW vom gemeinsamen Verbindungspunkt der Schalter
SH und SL gegen das Bezugspotential GND angegeben.
[0020] Bei der in Fig. 4 dargestellten ersten Schaltphase sei angenommen, daß im Zeitpunkt
des Schließens des Schalters SL das Zwischenkreispotential UZW gleich der Brückenkondensatorspannung
UH ist, daß der Sinus-Korrekturkondensator CS ungeladen und der elektrisch wirksame
Brückenkondensator CH, im folgenden kurz Halbbrückenkondensator CH genannt, aufgeladen
ist. Die Ladedrossel LK soll eine Ladung und die Drossel L des Lastkreises keine
Ladung aufweisen.
[0021] Mit dem Schließen des Schalters SL wird nun der Halbbrückenkondensator CH durch
den Strom ih über den Lastkreis und den Schalter SL entladen. Zugleich wird der Sinus-Korrekturkondensator
CS durch den Strom ik aufgeladen, der auch durch die Ladedrossel LK fließt und diese
entläd. Die Ladedrossel LK entläd sich in den Sinus-Korrekturkondensator CS so lange,
bis die korrigierte gleichgerichtete Netzwechselspannung UK kleiner wird als die gleichgerichtete
Netzwechselspannung UN. Anschließend wird die Ladedrossel LK aufgeladen, bis der Halbbrückenkondensator
CH voll entladen ist. Nunmehr setzt der Strom ibl durch die Klammerdiode DBL ein,
dessen Stromkreis sich ebenfalls über den Schalter SL schließt. Dieser Strom sorgt
dafür, daß sich der Halbbrückenkondensator CH nicht in Gegenrichtung aufladen kann.
Zugleich wird der Sinus-Korrekturkondensator CS über die Ladedrossel LK weiter aufgeladen,
bis die korrigierte gleichgerichtete Netzwechselspannung UK größer wird als die gleichgerichtete
Netzwechselspannung UN.
[0022] Wenn sich nunmehr, wie das die zweite Schaltphase nach Fig. 5 zeigt, der Schalter
SL öffnet, entläd sich die in der ersten Schaltphase aufgeladene Drossel L des Lastkreises
einerseits über den die Klammerdiode DBL durchfließenden Klammerdiodenstrom ib1 und
andererseits über den durch den Sinus-Korrekturkondensator CS fließenden Strom ik,
der hierbei seinen Weg über die Freilaufdiode DFH nimmt und auch die Ladedrossel LK
durchfließt, die sich nunmehr entläd. Der den Lastkreis durchfließende Summenstrom
aus dem Klammerdiodenstrom ib1 und dem Sinus-Korrekturkondensatorstrom ik geht dabei
gegen den Wert Null.
[0023] Sobald nunmehr entsprechend der dritten Schaltphase nach Fig. 6 der Schalter SH schließt,
wird der Halbbrückenkondensator CH und die Drossel L durch den Brückenkondensatorstrom
ih2 und den Sinus-Korrekturkondensatorstrom ik2 aufgeladen. Durch den Sinus-Korrekturkondensatorstrom
ik2 wird der Sinus-Korrekturkondensator CS ebenfalls aufgeladen.
[0024] Sobald der Halbbrückenkondensator CH soweit aufgeladen ist, daß die Summe aus der
Sinus-Korrekturkondensatorspannung US und der Brückenkondensatorspannung UH größer
als die Ladekondensatorspannung UE wird, beginnt ein dritter Strom, nämlich der Brückenkondensatorstrom
ih1 zu fließen.
[0025] Zugleich hört der Sinus-Korrekturkondensatorstrom ik2 auf zu fließen und beendet
damit die Aufladung des Sinus-Korrekturkondensators CS.
[0026] Die Diode DK, die durchlässig wird, sobald UK + UH UE werden, bewirkt das Fließen
des Sinus-Korrekturkondensatorstromes ik1. Der Sinus-Korrekturkondensatorstrom ik1
und der Brückenkondensatorstrom ih2 schließen sich über den Lastkreis und bewirken
eine weitere Aufladung der Drossel L. Der Sinus-Korrekturkondensator C3 wird durch
den nunmehr fließenden Sinus-Korrekturkondensatorstrom ik1 entladen. Zugleich wird
auch die Ladedrossel LK teilweise entladen.
[0027] Der Brückenkondensatorstrom ih2 läd den Brückenkondensator CH weiter auf. Sobald
die Brückenkondensatorspannung UH größer als die Ladekondensatorspannung UE wird,
beginnt der Klammerdiodenstrom ibh zu fließen. Auf diese Weise wird eine Umladung
des Sinus-Korrekturkondensators CS in entgegengesetzte Richtung unterbunden, d.h.
seine Ladung nimmt den Wert Null an.
[0028] Öffnet nun der Schalter SH wiederum entsprechend der vierten Schaltphase nach Fig.
7, dann entläd sich die Drossel L des Lastkreises über den weiterhin fließenden Klammerdiodenstrom
ibh. Die Ladedrossel LK entläd sich dabei teilweise über den Ladedrosselstrom ilk,
dessen Stromkreis sich über den Ladekondensator CEL schließt.
[0029] Ein neuer Zyklus beginnt nun mit dem erneuten Schließen des Schalters SL entsprechend
der ersten Schaltphase nach Fig. 4, die bereits erläutert worden ist.
1. Elektronisches Vorschaltgerät für Leuchtstofflampen mit einem Wechselrichter in
Gestalt einer aus Schalter- und Kondensatorzweigen bestehenden Brückenanordnung,
bei dem dem Wechselrichter eingangsseitig die Netzwechselspannung über eine Gleichrichterschaltung
zugeführt und ausgangsseitig wenigstens ein Lastkreis, bestehend aus der Reihenschaltung
einer Drossel mit der Parallelschaltung aus einem Zündkondensator und einer Leuchtstoffröhre
angeschaltet ist, bei dem ferner die Gleichrichterschaltung eingangsseitig einen
Gleichrichter aufweist, der ausgangsseitig über wenigstens eine für den gleichgerichteten
Netzwechselstrom in Durchlaßrichtung gepolten Diode mit dem den Ausgang der Gleichrichterschaltung
bildenden Ladekondensator in Verbindung steht und bei dem zwischen dem gemeinsamen
Verbindungspunkt von Gleichrichter und Diode und demjenigen ausgangsseitigen Anschluß
des Wechselrichters, dem Lastkreis und elektrisch wirksamer Brückenkondensator gemeinsam
angeschaltet sind, ein Sinus-Korrekturkondensator vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Wechselrichtereingang zwei in Serie geschaltete, gegensinnig zur gleichgerichteten
Netzwechselspannung (UN) gepolte Klammerdioden (DBL,DBW) parallel geschaltet sind,
deren gemeinsamer Verbindungspunkt ebenfalls der dem Lastkreis (LA) und dem elektrisch
wirksamen Brückenkondensator (CH/CH′,CH) gemeinsame ausgangsseitige Anschluß des
Wechselrichters (WR) ist.
2. Elektrisches Vorschaltgerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Gleichrichter (GL) der Gleichrichterschaltung (GS) ausgangsseitig über eine
Ladedrossel (LK) an den gemeinsamen Verbindungspunkt von Diode (DK) und Sinus-Korrekturkondensator
(CS) angeschaltet ist.
3. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ladedrossel (LK) so groß gewählt ist, daß sie sich im Rhythmus der hochfrequenten
Schaltfrequenz des Wechselrichters (WR) nur im Bereich der Nulldurchgänge des Netzwechselstromes
voll umläd.
4. Elektronisches Vorschaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Gleichrichterschaltung (GS) ein Oberwellenfilter (FE) vorgeschaltet ist.
5. Elektronisches Vorschaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Größe des elektrisch wirksamen Brückenkondensators (CH) der Kondensatorzweige
der Wechselrichter-Brückenanordnung einen Wert hat, bei dem seine Ladespannung dem
hochfrequenten Lastkreisstrom weitgehend folgt.
6. Elektronisches Vorschaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kapazität des elektrisch wirksamen Brückenkondensators (CH) der Kondensatorzweige
der Wechselrichter-Brückenanordnung wesentlich kleiner als die Kapazität des Sinus-Korrekturkondensators
(CS) ist.
7. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß daß das Kapazitätsverhältnis von Sinus-Korrekturkondensator (CS) zu elektrisch
wirksamen Brückenkondensator (CH) einen Wert zwischen 1,5 und 4, vorzugsweise den
Wert 2 hat.