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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben
einer Gasentladungslampe gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1, die einen Heiztransformator zum Beheizen der Lampenwendeln
aufweist.
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Elektronische
Vorschaltgeräte zum Betreiben von Gasentladungslampen sind
bereits seit langem bekannt. Der Vorteil in der Verwendung derartiger
Vorschaltgeräte besteht darin, dass diese die Gasentladungslampen
unter optimalen Bedingungen betreiben, so dass im Vergleich zu herkömmlichen Lampenbetriebsgeräten
eine höhere Lichtausbeute bei vergleichbarem Energieverbrauch
erzielt wird. Darüber hinaus können Fehlzustände
erkannt und entsprechende Maßnahmen eingeleitet werden,
so dass zum einen ein zuverlässiger Lampenbetrieb ermöglicht
wird und zum anderen Lampendefekte weitestgehend vermieden werden.
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Ein
besonderes Merkmal elektronischer Vorschaltgeräte zum Betreiben
von Gasentladungslampen besteht auch darin, dass mit Hilfe der Vorschaltgeräte
ein besonders schonender Lampenstart durchgeführt wird.
Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Lampenelektroden üblicherweise
während der Startphase besonders hohen Belastungen ausgesetzt
sind. Ein wiederholtes Ein- und Ausschalten von Gasentladungslampen
führt daher in der Regel dazu, dass deren Lebensdauer herabgesetzt
wird. Durch den Einsatz von elektronischen Vorschaltgeräten
können die Belastungen beim Lampenstart allerdings deutlich
reduziert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass vor dem Anlegen
der Zündspannung die Lampenelektroden zunächst
gezielt aufgeheizt werden, so dass die Austrittsenergie für
Elektronen herabgesetzt wird. Die Dauer der bei einem Lampenstart
nicht zu vermeidende Glimmphase, in der die Lampenelektroden dem
Beschuß von Ionen ausgesetzt sind und dementsprechend besonders
stark belastet werden, kann auf diese Weise deutlich verkürzt werden.
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Zum
Aufheizen der Lampenwendeln während der sogenannten Vorheizphase
bestehen mehrere Möglichkeiten bzw. Schaltungsvarianten.
Eine bekannte Lösung, die in 1 dargestellt
ist, soll nachfolgend erläutert werden.
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1 zeigt
dabei eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Gasentladungslampe,
wie sie aus der
EP
0 769 889 B1 bekannt ist. Die dargestellte Schaltungsanordnung
bildet den ausgangsseitigen Bereich eines elektronischen Vorschaltgeräts,
welches eingangsseitig zumindest einen Gleichrichter aufweist, der
mit einer Versorgungswechselspannung gespeist ist und die gleichgerichtete
Versorgungswechselspannung an eine Zwischenkreisschaltung weitergibt,
welche wiederum eine in ihrer Höhe veränderbare
Gleichspannung erzeugt.
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Die
Ausgangsgleichspannung der Zwischenkreisschaltung bildet zugleich
die Gleichspannungsquelle E1 für einen Wechselrichter der
dargestellten Schaltungsanordnung, der aus zwei in einer Halbbrückenanordnung
angeordneten steuerbaren Schaltern S1 und S2 besteht. Die Schalter
S1 und S2 werden von einer (nicht dargestellten) Steuerschaltung
angesteuert und wechselweise geöffnet bzw. geschlossen,
so dass an ihrem Mittenabgriff eine hochfrequente Wechselspannung
entsteht. Diese wird einem Lastkreis zugeführt, dessen
wesentliche Bestandteile ein aus einer Ausgangsdrossel Lo und einem
Kondensator C1 bestehender Serienresonanzkreis sowie eine parallel
zu dem Resonanzkondensator C1 angeordnete Lampe LA sind. Zwischen
der Lampe LA und der Ausgangsdrossel Lo befindet sich ferner ein
Koppelkondensator C2, durch den das Auftreten von Gleichströmen
in der Lampe LA vermieden werden soll.
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Wie 1 zeigt,
ist den beiden Wendeln Rw1 und Rw2 der Lampe LA ferner jeweils ein
Heizkreis zugeordnet, der aus einer Serienschaltung bestehend aus
der entsprechenden Lampenwendel Rw1 bzw. Rw2, einer Heizspule Lh2
bzw. Lh3 sowie einem Kondensator C7 bzw. C8 besteht. Durch eine Stromeinkopplung
in die Heizkreise können somit die beiden Lampenwendeln
Rw1, Rw2 aufgeheizt werden.
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Die
Stromeinkopplung in die beiden Heizkreise erfolgt durch die Primärspule
Lh1 eines Heiztransformators, die ebenfalls an den Ausgang des Wechselrichters
angeschlossen und über einen Kondensator Ck mit Masse verbunden
ist. Die Primärspule Lh1 ist induktiv mit den beiden Sekundärspulen Lh2
und Lh3 gekoppelt, so dass ein Stromfluss in die beiden Heizkreise
induziert wird, sobald von der Halbbrücke eine Ausgangsspannung
abgegeben wird. Die Funktion des Kondensators Ck besteht dabei darin,
als Blockkondensator den Strom durch die Primärwicklung
Lh1 des Heiztransformators während der Halbbrückenflanke
zu begrenzen. Mit Hilfe der in den Heizkreisen angeordneten Kondensatoren
C7 und C8 wiederum können die Heizströme während eines
Dimmbetriebs, in dem der Lampe LA lediglich eine geringe Leistung
zugeführt wird, angepasst werden.
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Mit
Hilfe dieser bekannten Schaltungsanordnung können die Lampenwendeln
der Lampe zwar sowohl während der Vorheizphase als auch
im Lampendimmbetrieb geheizt werden, es hat sich allerdings gezeigt,
dass diese Art der Wendelheizung bei modernen Gasentladungslampen
nicht mehr in der Lage ist, die Anforderungen an eine effektive
Vorheizung hinsichtlich der notwendigen und zulässigen
sogenannten Stiftströme zu erfüllen. Ferner ist
der Kostenaufwand zur Realisierung dieser Schaltungsanordnung verhältnismäßig
hoch, da der Blockkondensator Ck als Hochspannungskondensator ausgelegt sein
muß und dementsprechend teuer ist.
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Um
den Kostenaufwand für den Blockkondensator Ck vermeiden
zu können, ist eine Schaltungsanordnung entwickelt worden,
bei der die Primärwicklung des Heiztransformators nicht
unmittelbar an den Ausgang des Wechselrichters angeschlossen sondern
statt dessen Bestandteil eines Zwischenkreises ist, der lediglich
induktiv mit dem Lastkreis gekoppelt ist. Eine derartige Schaltungsanordnung
ist aus der
US 5,973,455 bekannt.
Zur Induzierung eines Heizstroms wird nunmehr zunächst
induktiv eine Spannung in den Zwischenkreis mit der Primärwicklung
des Heiztransformators eingekoppelt, über den dann wiederum
ein Heizstrom auf die beiden Heizkreise mit den Lampenwendeln übertragen
wird. Da durch die induktive Kopplung zwischen Last- und Zwischenkreis
die Spannung in dem Zwischenkreis bereits herabgesetzt werden kann,
ist die Verwendung eines Hochspannungskondensators nicht mehr erforderlich.
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Aus
der Schaltung der
US 5,973,455 ist
darüber hinaus bekannt, die Wendelheizung zu deaktivieren,
wozu ein bidirektionaler Schalter vorgesehen ist, der den Zwischenkreis
nach erfolgter Lampenzündung öffnet. Hierdurch
kann ein unnötiger Stromverbrauch vermieden werden, da
während des normalen Lampenbetriebs eine weitere Beheizung
der Lampenwendeln nicht unbedingt erforderlich ist.
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Allerdings
gibt es Situationen, in denen es auch nach der Lampenzündung
noch vorteilhaft ist, die Lampenwendeln zu beheizen. Handelt es
sich beispielsweise um ein Vorschaltgerät, welches ein Dimmen
der Gasentladungslampe ermöglicht, so kann der Fall auftreten,
dass bei sehr geringen Helligkeitswerten der Lampe die Lampenelektroden
aufgrund des nur geringen Stromflusses soweit abkühlen,
dass sie wieder stärker belastet werden. In dieser Situation
kann es vorteilhaft sein, die Lampenwendeln zusätzlich
zu beheizen, um nach wie vor einen Elektronenaustritt bei niedriger
Energie zu ermöglichen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde,
eine Möglichkeit anzugeben, die Elektroden bzw. Wendeln
einer Gasentladungslampe optimal zu beheizen, wobei den unterschiedlichen
Anforderungen während eines Vorheiz- und eines Dimmbetriebs
Rechnung getragen werden soll.
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Die
Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer
Gasentladungslampe mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann bestehen
aus einem mit einer Gleichspannungsquelle verbundenen Wechselrichter,
einem an den Wechselrichter angeschlossenen Lastkreis, der die Lampe
und einen Serienresonanzkreis enthält, sowie einem Heiztransformator
bestehend aus einer Primärwicklung sowie zwei mit der Primärwicklung
induktiv gekoppelten Sekundärwicklungen, die jeweils in
Serie zu den beiden Lampenwendeln innerhalb zweier Heizkreise angeordnet
sind. Die Primärwicklung ist innerhalb eines Zwischenkreises
angeordnet, der galvanisch getrennt von dem Lastkreis angeordnet
ist und durch diesen gespeist wird, wobei erfindungsgemäß die
Impedanz des Zwischenkreises einstellbar ist.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung kann somit die im Dimmbetrieb erforderliche
Anpassung der Heizleistung dadurch erfolgen, dass die Impedanz des
Zwischenkreises, über den ein Heizstrom in die beiden Lampenwendeln
eingekoppelt wird, verändert wird. Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
kann hierzu der Zwischenkreis ein Impedanzelement – vorzugsweise
einen Kondensator – aufweisen, das durch einen steuerbaren
Schalter überbrückbar ist. Je nachdem, ob nunmehr
der Kondensator überbrückt wird oder nicht, wird
die Heizleistung verändert.
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Die
Speisung des Zwischenkreises durch den Lastkreis erfolgt vorzugsweise
mittels einer induktiven Kopplung, wozu ein Kopplungstransformator
vorgesehen ist, der aus einer in dem Lastkreis angeordneten Primärwicklung
sowie einer in dem Zwischenkreis angeordneten Sekundärwicklung
besteht. Insbesondere kann dabei die Primärwicklung des Kopplungstransformators
zugleich die Ausgangsdrossel des Serienresonanzkreises des Lastkreises bilden.
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Die
Möglichkeit, die Impedanz des Zwischenkreises anzupassen,
erlaubt somit, die unterschiedlichen Anforderungen des Vorheiz-
und Dimmbetriebs zu erfüllen. Ein weiterer Vorteil der
erfindungsgemäßen Lösung besteht darin,
dass die Heizleistung an verschiedene Lampentypen angepasst werden
kann, die wahlweise mit der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung betrieben werden sollen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein elektronisches Vorschaltgerät
zum Betreiben einer Gasentladungslampe, welches eingangsseitig einen mit
einer Versorgungswechselspannung verbundenen Gleichrichter, eine
Zwischenkreisschaltung zum Erzeugen einer geregelten Gleichspannung
sowie eine am Ausgang der Zwischenkreisspannung befindliche Schaltungsanordnung
in der oben beschriebenen Weise aufweist.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher
erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine
aus dem Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnung zum Betreiben
einer Gasentladungslampe und
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2 die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.
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2 zeigt
analog zu 1 lediglich den ausgangsseitigen
Bereich eines elektronischen Vorschaltgeräts, also den
Wechselrichter mit dem daran angeschlossenen Lastkreis. Nicht dargestellt
sind hingegen der eingangsseitige Gleichrichter zum Gleichrichten
der Versorgungswechselspannung sowie die von dem Gleichrichter gespeiste
Zwischenkreisschaltung zum Erzeugen einer geregelten Gleichspannung.
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Bei
der in 2 dargestellten erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung sind Bauelemente, deren Funktion identisch zu
Elementen der in 1 dargestellten bekannten Schaltungsanordnung
ist, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung weist somit wiederum zunächst einen
Wechselrichter auf, der eingangsseitig mit einer Gleichspannungsquelle
E1 verbunden ist und aus zwei steuerbaren Schaltern S1 und S2 besteht,
die in einer Halbbrückenanordnung verschaltet sind. Am
Ausgang des Wechselrichters befindet sich wiederum ein Lastkreis,
der aus einem Serienresonanzkreis mit einer Ausgangsdrossel Lop und
einem Kondensator C1 sowie einer parallel zu dem Resonanzkondensator
C1 angeordneten und über einen Koppelkondensator C2 mit
der Ausgangsdrossel Lop verbundenen Lampe LA besteht. Die Lampenwendeln
Rw1 und Rw2 sind wiederum innerhalb zweier Heizkreise angeordnet
und hierzu in Serie mit den Sekundärwicklungen Lh2 und
Lh3 eines Heiztransformator geschaltet.
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Im
Gegensatz zu der Schaltungsanordnung von 1 erfolgt
nunmehr allerdings die Induzierung des Heizstroms in die beiden
Heizkreise nicht unmittelbar über den Ausgang des Wechselrichters
sondern über einen Zwischenkreis Z, der induktiv mit dem
Lastkreis gekoppelt ist. Hierzu ist ein Kopplungstransformator vorgesehen,
dessen Primärwicklung durch die Ausgangsdrossel Lop des
Serienresonanzkreises gebildet ist und der eine Sekundärwicklung
Los innerhalb des Zwischenkreises Z aufweist. Weitere Bestandteile
des Zwischenkreises Z sind ferner die Primärwicklung Lh1
des Heiztransformators sowie eine Serienschaltung aus zwei Kondensatoren C5
und C6, wobei der zweite Kondensator C6 durch einen steuerbaren
Schalter S3 überbrückbar ist.
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Die
Induzierung eines Heizstroms in die beiden Lampenwendeln Rw1 und
Rw2 erfolgt nun dadurch, dass zunächst mit Hilfe des Kopplungstransformators
ein Strom in den Zwischenkreis Z gekoppelt und über den
Heiztransformator dann in die beiden Heizkreise übertragen
wird. Die Höhe des übertragenen Stroms hängt
dabei insbesondere davon ab, ob der Schalter S3 geöffnet
oder geschlossen ist. Ist nämlich der Schalter S3 geschlossen,
so wird der zweite Kondensator C6 überbrückt und
die Impedanz des Zwischenkreises Z hierdurch erniedrigt. Dementsprechend
wird ein verhältnismäßig hoher Strom
in den Zwischenkreis Z eingekoppelt und auf die Heizkreise übertragen.
Da eine hohe Heizleistung insbesondere während einer Vorheizphase
vor der Zündung der Lampe erforderlich ist, ist der Schalter
S3 in dieser Vorheizphase vorzugsweise geschlossen.
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Wird
hingegen der Schalter S3 geöffnet, so wird der zweite Kondensator
C6 effektiv dem Zwischenkreis Z hinzugefügt, wodurch die
Impedanz erhöht und dementsprechend die an die Lampenwendeln
Rw1 und Rw2 übertragene Leistung reduziert wird. Da die
reduzierte Heizleistung während des späteren Lampenbetriebs
bei niedriger Lampenleistung ausreichend ist, wird der Schalter
S3 vorzugsweise geöffnet, sobald die Lampenzündung
erfolgt ist.
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Durch
das Öffnen und Schließen des Schalters S3 kann
somit die Impedanz des Zwischenkreises Z verändert und
damit die Heizleistung entsprechend den unterschiedlichen Anforderungen
während eines Vorheiz- und eines Dimmbetriebes eingestellt
werden. Die Möglichkeit zur Änderung der Heizleistung
kann allerdings auch dafür genutzt werden, unterschiedliche
Lampentypen mit der Schaltungsanordnung zu betreiben, wobei dann
je nach Art des verwendeten Lampentyps die Heizleistung eingestellt
wird.
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Ein
besonderes Merkmal der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
besteht darin, dass diese verhältnismäßig
kostengünstig zu realisieren ist. Zwar besteht die Schaltungsanordnung
gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich
zu der Schaltungsanordnung in 1 aus mehr
Bauteilen, dabei ist allerdings zu berücksichtigen, dass
aufgrund der induktiven Kopplung mit dem Lastkreis innerhalb des
Zwischenkreises Z eine niedrigere Spannung vorliegt, da durch den
Kopplungstransformator die von dem Wechselrichter abgegebene Spannung heruntertransformiert
werden kann. Dementsprechend können die Kondensatoren C5
und C6 sowie der Schalter S3 als Niedervoltkondensatoren bzw. Niedervoltschalter
ausgebildet sein und sind dementsprechend deutlich kostengünstiger
herzustellen als der bei der Schaltungsanordnung von 1 erforderliche
Blockkondensator Ck.
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Die
Effektivität der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ist dabei sehr hoch. Zwar besteht eine gewisse Abhängigkeit
von der Lampenspannung, allerdings zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
ein gutes Verhalten hinsichtlich des sogenannten Crestfaktors der
Heizspannung. Dieser Faktor gibt das Verhältnis zwischen dem
Maximalwert und dem Effektivwert der Heizspannung an. Bei der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung kann ein verhältnismäßig
niedriger Crestfaktor erzielt werden, d. h. die induzierte Heizspannung
wird optimal zum Aufheizen der Lampenwendeln genutzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0769889
B1 [0005]
- - US 5973455 [0010, 0011]