DE3338464C2

DE3338464C2 - Schaltungsanordnung zum Betrieb mindestens einer Leuchtstofflampe mit einstellbarer Helligkeit an einem selbstschwingenden Wechselrichter

Info

Publication number: DE3338464C2
Application number: DE19833338464
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Plankenhorn Kapitalverwaltungs-KG, 7208 Spaichingen
Current assignee: Eckert Elektronik 78591 Durchhausen De GmbH
Priority date: 1983-10-22
Filing date: 1983-10-22
Publication date: 1987-03-05
Also published as: DE3338464A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Helligkeitssteuerung für mindestens eine Leuchtstofflampe mit einer Gleichspannungsquelle, mit einem dieser nachgeschalteten Wechselrichter und mit einem Leuchtstofflampenkreis auf der Ausgangsseite des Wechselrichters. Erfindungsgemäß ist ein Helligkeitssteuerkreis vorgesehen, mit dessen Hilfe das Tastverhältnis und/oder die Frequenz des Ausgangssignals des Wechselrichters zur Steuerung der Leuchtstofflampenhelligkeit veränderbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb mindestens einer Leuchtstofflampe mit einstellbarer Helligkeit an einem selbstschwingenden Wechselrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der EP 75 176 ist bereits eine derartige Schaltungsanordnung bekannt, bei der der Wechselrichter eine an eine Gleichspannungsquelle angeschlossene Reihenschaltung aus zwei Ausgangstransistoren aufweist, deren Verbindungspunkt den Wechselrichterausgang bildet, am Wechselrichterausgang mindestens ein Serienresonanzkreis aus einer Induktivität und einer Kapazität angeschlossen ist und jeder Kapazität eine Leuchtstofflampe parallel geschaltet ist, zwischen dem Wechselrichterausgang und dem Serienresonanzkreis bzw. den Serienresonanzkreisen die Primärwicklung eines Übertragers angeordnet ist, dessen Sekundärwicklungen die Steuerspannungen für die Ausgangstransistoren liefern, und ein an eine Sekundärwicklung des Übertragers angeschlossener Helligkeitssteuerkreis vorgesehen ist, der ein einstellbares Zeitglied mit einem RC-Glied aufweist und der eine Sperrung eines der beiden Ausgangstransistoren nach einem durch das Zeitglied vorgegebenen Zeitintervall bewirkt, ehe eine Halbschwingung der Wechselrichterausgangsspannung vollständig ausgeführt ist.
Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist der Helligkeitssteuerkreis an eine gesonderte zusätzliche Sekundärwicklung des Übertragers angeschlossen, die nach einem durch das Zeitglied des Helligkeitssteuerkreises vorgegebenen Zeitintervall kurzgeschlossen wird, ehe eine Halbschwingung der Wechselrichterausgangsspannung vollständig ausgeführt ist. Diese bekannte Anordnung hat im Bereich geringer Lampenhelligkeit ungünstige Steuereigenschaften wegen der ungünstigen Lage des Betriebspunktes auf der Hysteresekurve des Kernes des Übertragers. Um diesen Nachteil zu beseitigen, ist dort die Verwendung eines zweiten Übertragers vorgesehen, wodurch der Aufwand der Schaltung jedoch wesentlich erhöht wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik, eine Schaltungsanordnung mit einem einfachen Helligkeitssteuerkreis anzugeben, der eine Steuerung der Helligkeit der Leuchtstofflampen über weite Bereiche ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß die in dem Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale vorgesehen.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bietet den Vorteil einer verlustarmen einfachen Helligkeitssteuerung innerhalb weiter Grenzen.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes des Hauptanspruchs gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer bekannten Schaltungsanordnung zum Betrieb mindestens einer Leuchtstofflampe mit einstellbarer Helligkeit an einem selbstschwingenden Wechselrichter,
Fig. 2 ein detaillierteres Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Schaltungsanordnung gemäß vorliegender Erfindung und
Fig. 3a grafische Darstellungen des Signalverlaufs bis an wesentlichen Punkten der Schaltungsanordnung Fig. 3e gemäß Fig. 2.
Im einzelnen zeigt das Blockschaltbild gemäß Fig. 1 eine Übersicht über eine bekannte Ausführungsform einer Hochfrequenz-Helligkeitssteuerung. Die Steuerung besitzt zwei Eingangsklemmen 10, 12, an denen beispielsweise die übliche Netzwechselspannung von 220 V bei einer Frequenz von 50 Hz anliegt. Diese Wechselspannung wird in einer Gleichrichterschaltung 14 gleichgerichtet, welche ausgangsseitig eine Gleichspannung für einen selbstschwingenden Wechselrichter 16 liefert, der als Ausgangssignal eine Rechteckimpulsfolge erzeugt, welche an ein oder mehreren Leuchtstofflampen 18wirksam wird (in Fig. 1 sind zwei Leuchtstofflampen 18 gezeigt), die jeweils als "Dämpfung" in einen Serienresonanzkreis aus einer Induktivität 20 und einer Kapazität 22 eingefügt sind, der einerseits mit dem Ausgang des Wechselrichters 16 und andererseits über eine weitere Kapazität 24 mit Bezugspotential verbunden ist. In die Ausgangsleitung des Wechselrichters 16 ist die Primärwicklung eines Hilfstransformators 26 eingefügt, welcher die Speisespannung für einen Helligkeitssteuerkreis 28 liefert.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird nachstehend anhand von Fig. 2 erläutert, wobei die Elemente des Helligkeitssteuerkreises 28 und die damit verbundenen Elemente des Wechselrichters 16 detailliert dargestellt sind.
Im einzelnen wird aus Fig. 2 deutlich, daß der Wechselrichter 16, der mit einer relativ hohen Frequenz von beispielsweise 20 bis 120 kHz arbeitet, als Ausgangstransistoren zwei MOS-FET-Transistoren 30 und 32 aufweist, deren Schaltstrecken in Serie zueinander und in Serie mit einem Widerstand 34 zwischen dem positiven Ausgangsanschluß + und dem negativen Ausgangsanschluß - des Gleichrichters 14 liegen. Bei dem Wechselrichter 16 gemäß Fig. 2 handelt es sich um einen selbstschwingenden Wechselrichter, bei dem die Selbsterregung durch die Ansteuerung der Ausgangstransistoren 30, 32 mittels eines Übertragers 36 erreicht wird, welcher zwei Sekundärwicklungen W 1 und W 2 und eine Primärwicklung W 3 aufweist.
Dabei liegt gemäß Fig. 3a an der Sekundärwicklung W 1 eine näherungsweise sinusförmige Spannung U _W ₁ an. Diese Spannung wird der Basis eines Transistors 38 über einen Widerstand 40 zugeführt. Hierdurch wird am Kollektor des Transistors 38 gemäß Fig. 3b eine Rechteck-Spannung U ₃₀ erzeugt, die über einen Kondensator 42 an die Basis eines weiteren Transistors 44 angelegt wird und diesen so lange in den gesperrten Zustand steuert, bis der Kondensator 42 über einen Widerstand 46 ausreichend entladen ist. Der Verlauf der Spannung über dem Kondensator 42 bzw. an der Basis des Transistors 44 ist als Spannung U _C in Fig. 3c dargestellt, und man erkennt, daß die Entladezeit für den Kondensator 42 bei vorgegebenem Widerstandswert des Widerstandes 46 durch Änderung einer Steuerspannung U _St vom Abgriff eines als Stellorgan dienenden Potentiometers 48 variiert werden kann. Im einzelnen wird die Entladung des Kondensators 42 bei einer Erhöhung der Steuerspannung U _St beschleunigt, so daß der Transistor 44, dessen Kollektorspannung U ₄₄ in Fig. 3d dargestellt ist, gegenüber der ersten Periode in Fig. 3 in der zweiten Periode bereits nach einer kürzeren Zeit wieder leitend gesteuert wird. Da der Leistungs- bzw. Ausgangstransistor 32 jeweils für das Zeitintervall leitend gesteuert wird, in dem der Transistor 44 gesperrt ist, kann folglich durch Erhöhung der Steuerspannung U _St eine Verkürzung der über den Lampenstromkreis fließenden Rechteck- Impulse und damit eine Verringerung des Mittelwerts des Lampenstroms erreicht werden, wobei gleichzeitig die Impulsfolgefrequenz am Ausgang des Wechselrichters 16erhöht wird und umgekehrt. Der zeitliche Verlauf des von dem Wechselrichter 16 aufgenommenen Stromes i ist dabei in Fig. 3e dargestellt.
Bei der Schaltung gemäß Fig. 2 dient der in Serie zu den Transistoren 30, 32 liegende Widerstand 34 als Meßwiderstand für eine der Strombegrenzung dienende Schutzschaltung, die einen weiteren Transistor 50 mit einem zugehörigen Basiswiderstand 52 umfaßt, dessen Kollektor über eine Diode 54 mit der Basis des Transistors 44 verbunden ist und bei einem Überstrom aufgrund der dann über dem Widerstand 34 abfallenden Spannung leitend gesteuert wird und nunmehr seinerseits den Transistor 44 vorzeitig leitend steuert, wodurch der Transistor 32 gesperrt wird. Die vorstehend beschriebene Strombegrenzung ist in der betrachteten Schaltung vor allem beim Zünden der Leuchtstofflampen 18 wichtig und schützt während dieser Betriebsphase die Ausgangstransistoren 30, 32 des Wechselrichters 16 gegen eine Überlastung.
Sollen bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mehrere Leuchtstofflampen 18 an einen einzigen Wechselrichter angeschlossen werden, so ist zu beachten, daß die Kathoden der Leuchtstofflampen 18 über die jeweils parallel geschaltete Kapazität 22 geheizt werden, wobei der Kapazitätswert der Kapazitäten 22 auf den Röhrentyp abgestimmt und so gewählt wird, daß durch die Kapazität 22 der übliche Zündkondensator ersetzt wird. Hinsichtlich der Kathodenheizung der Leuchtstofflampen 18 wird durch diese Ausbildung des Lampensteuerkreises insbesondere erreicht, daß bei verringerter Helligkeit eine verstärkte Beheizung stattfindet, was sich vorteilhaft auf die Lebensdauer der Leuchtstofflampen auswirkt. Außerdem sind auch die Startbedingungen für den Zündvorgang der Leuchtstofflampen 18 sehr günstig, da sich an den Kathoden der Leuchtstofflampen 18 zunächst eine hohe Zündspannung und damit auch ein hoher Heizstrom ergibt, so daß die Lampen zuverlässig zünden und Kaltstarts vermieden werden. Sobald die Leuchtstofflampen 18 gezündet haben, geht der Heizstrom dann aber wegen der gegenüber der Zündspannung verringerten Brennspannung der Leuchtstofflampen 18 wieder auf den normalen Wert zurück.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung beträgt das Tastverhältnis der Rechteck-Impulsfolge am Ausgang des Wechselrichters 16 1 : 1, wenn die Leuchtstofflampen 18 so angesteuert werden, daß sie mit der vollen Helligkeit leuchten.
Mit Hilfe des Helligkeitssteuerkreises 28 besteht die Möglichkeit, einen Transistor des Wechselrichters zu sperren, ehe eine Halbschwingung vollständig ausgeführt ist bzw. ehe der betreffende Rechteckimpuls am Ausgang des Wechselrichters 16 normalerweise beendet würde. Dadurch wird die Periodendauer einer vollen Schwingung - Impuls plus Pause - verkürzt bzw. die Impulsfolgefrequenz erhöht, während gleichzeitig der von der Gleichstromquelle aufgenommene Strom bzw. der Mittelwert des zu den Leuchtstofflampen 18 fließenden Stroms verringert wird. Dabei kann das Tastverhältnis - das Impuls/ Pausen-Verhältnis - am Ausgang des Wechselrichters bis auf etwa 1 : 10 verringert werden, was gegenüber einem Tastverhältnis von 1 : 1 einer Verringerung der von den Leuchtstofflampen 18 erzeugten Lichtstärke um mehr als den Faktor 10 entspricht, da der Mittelwert des aufgenommenen Stroms um mehr als den Faktor 10 zurückgeht.
Der Helligkeitssteuerkreis kann so ausgebildet werden, daß beide Ausgangstransistoren des Wechselrichters 16 alternierend über den Helligkeitssteuerkreis gesperrt werden, wobei ein Tastverhältnis von 1 : 1 erhalten bleibt, wobei aber die Impulsfolgefrequenz am Ausgang des Wechselrichters 16 erhöht wird, was wiederum zu einer Reduzierung des Lampenstroms und damit zu einer Reduzierung der von den Leuchtstofflampen 18 abgestrahlten Lichtmenge führt.
Wenn ausgehend von der Schaltung gemäß Fig. 2 eine derartige Frequenzsteuerung erreicht werden soll, dann muß der Helligkeitssteuerkreis so ausgebildet werden, daß die beiden Ausgangstransistoren 30, 32 des Wechselrichters 16 in jeder Halbperiode jeweils alternierend über den Helligkeitssteuerkreis gesperrt werden. Zu diesem Zweck kann ein entsprechendes Steuersignal, beispielsweise über einen Optokoppler oder einen Übertrager und einen nachgeschalteten Transistor an die Steuer- bzw. Gate-Elektrode des Ausgangstransistors 30 angelegt werden, wobei dieser Transistor in derselben Weise gesteuert wird wie der Transistor 32, jedoch jeweils in der zweiten Halbperiode und über ein zweites, durch die Steuerspannung U _St steuerbares Zeitglied.
Bei dieser Art der Steuerung bleibt das Tastverhältnis von 1 : 1 stets unverändert erhalten, und es wird lediglich die Frequenz des Wechselrichters erhöht, so daß der von diesem aufgenommene Strom vermindert und die Helligkeit der Leuchtstofflampen 18 entsprechend verringert wird. Diese Frequenzsteuerung des Wechselrichters 16 hat gegenüber der Impulsbreitensteuerung den Vorteil, daß die Einschaltdauer des Ausgangstransistors 32 nicht so kurz wird wie bei der Impulsbreitensteuerung; andererseits ist jedoch der schaltungstechnische Aufwand für eine Frequenzsteuerung etwas höher.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Betrieb mindestens einer Leuchtstofflampe mit einstellbarer Helligkeit an einem selbstschwingenden Wechselrichter, wobei

- der Wechselrichter eine an eine Gleichspannungsquelle angeschlossene Reihenschaltung aus zwei Ausgangstransistoren (30, 32) aufweist, deren Verbindungspunkt den Wechselrichterausgang bildet,

- am Wechselrichterausgang mindestens ein Serienresonanzkreis aus einer Induktivität (20) und einer Kapazität (22) angeschlossen ist und jeder Kapazität (22) eine Leuchtstofflampe (18) parallel geschaltet ist,

- zwischen dem Wechselrichterausgang und dem Serienresonanzkreis bzw. den Serienresonanzkreisen die Primärwicklung (W 3) eines Übertragers (36) angeordnet ist, dessen Sekundärwicklungen (W 1, W 2) die Steuerspannungen für die Ausgangstransistoren (30, 32) liefern, und

- ein an eine Sekundärwicklung (W 1) des Übertragers (36) angeschlossener Helligkeitssteuerkreis vorgesehen ist, der ein einstellbares Zeitglied (42, 46, 48) mit einem RC -Glied (42, 46) aufweist und der nach einem durch das Zeitglied vorgegebenen Zeitintervall eine Sperrung eines der beiden Ausgangstransistoren (32) bewirkt, ehe die durch den Stromfluß durch diesen Ausgangstransistor (32 ) erzeugte Halbschwingung der Wechselrichterausgangsspannung vollständig ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Helligkeitssteuerkreis die eine Sekundärwicklung (W 1) des Übertragers (36) über einen Widerstand (40) mit der Basis eines Transistors (38) verbunden ist, an dessen Kollektor eine rechteckförmige Spannung (U ₃₀) entsteht, die über den Kondensator (42) des RC-Gliedes (42, 46) an die Basis eines weiteren Transistors (44) angelegt wird, so daß der weitere Transistor (44) so lange gesperrt wird, bis der Kondensator (42) des RC-Gliedes ausreichend entladen ist, und daß der eine Ausgangstransistor (32) jeweils für das Zeitintervall leitend gesteuert wird, in dem der weitere Transistor (44) gesperrt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Zeitgliedes (38 bis 48) dem RC-Glied (42, 46) eine mittels eines Potentiometers (48) veränderbare Steuerspannung (U _St) zugeführt wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Helligkeitssteuerkreis ein zweites, durch die Steuerspannung (U _St) steuerbares Zeitglied aufweist und so ausgebildet ist, daß der zweite Ausgangstransistor (30) in gleicher Weise wie der erste Ausgangstransistor (32), jedoch jeweils in der durch den Stromfluß durch den zweiten Ausgangstransistor (30) erzeugten zweiten Halbschwingung der Wechselrichterausgangsspannung über das zweite Zeitglied gesteuert wird.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangstransistoren (30, 32) MOS-FET-Transistoren sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter mit einer Frequenz zwischen 20 und 120 kHz betrieben wird.