DE4107147A1

DE4107147A1 - Fluorescent tube control with push=pull transistors - has two decoupled branches, each with tube electrode, inductor, and switching transistor in series

Info

Publication number: DE4107147A1
Application number: DE19914107147
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr Wunderer
Original assignee: GAO Gesellschaft fuer Automation und Organisation mbH
Current assignee: Giesecke and Devrient GmbH
Priority date: 1991-03-06
Filing date: 1991-03-06
Publication date: 1992-09-10

Abstract

Each branch (20,21) of the circuit connected between positive and negative DC terminals (1,2) contains an inductor (6,7), an electrode (4,5) of the fluorescent tube (3), and a switching transistor (8,9) in series, driven by a controller (12). An inverter (10) ensures that the transistors are turned on and off alternately at e.g. about 50 kHz with 1:1 duty ratio. The greatly reduced brightness modulation with uniform loading of the electrodes is of benefit esp. for measurements which require constant illumination. A simple low-pass filter suppresses HF components. ADVANTAGE - Low-cost design for min. unwanted modulation of brightness.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ansteuerung einer Leuchtstofflampe mit zwei vorheizbaren Elektroden, wobei die Anordnung induktive Mittel, Schaltelemente und ein Steuergerät umfaßt und von einer Speisespannungs quelle versorgt wird.The invention relates to an arrangement for control a fluorescent lamp with two preheatable electrodes, the arrangement being inductive means, switching elements and comprises a control unit and a supply voltage source is supplied.

Eine Anordnung dieser Art ist aus der DE-PS 22 63 582 bekannt. Die in der DE-PS 22 63 582 beschriebene Anord nung wird von einer Gleichspannungsquelle gespeist, wobei zwischen den Eingangsklemmen der Anordnung die Elektroden der Entladungslampe, eine Spule und ein Schalttransistor in Reihe geschaltet sind.An arrangement of this type is known from DE-PS 22 63 582 known. The arrangement described in DE-PS 22 63 582 voltage is fed by a DC voltage source, whereby electrodes between the input terminals of the assembly the discharge lamp, a coil and a switching transistor are connected in series.

Die Wirkungsweise der bekannten Anordnung ist folgende. Bei durchgeschaltetem Transistor fließt ein Strom vom positiven Pol der Versorgungsspannung über die Elektro den, die Spule und den Transistor zum negativen Pol, der gleichzeitig auch die Elektroden vorheizt. Beim Sperren des Transistors wird in der Spule eine Spannungsspitze induziert und wenn die Elektroden zuvor genügend aufge heizt wurden, kommt es zur Zündung der Lampe. Während des Betriebs der Lampe fließt bei durchgeschaltetem Transi stor jeweils in gleicher Richtung ein Strom durch die Lampe und durch die Spule, die dann gemeinsam zum negati ven Pol der Versorgungsspannung abfließen. Wenn der Tran sistor sperrt, erzeugt die Induktivität der Spule eine Gegenspannung, die durch die Lampe einen Strom in ent gegengesetzter Richtung antreibt. Die durch die Lampe während der leitenden und sperrenden Periode fließenden Ströme sind unterschiedlich, so fließt beispielsweise unter den in der Entgegenhaltung angegebenen Bedingungen während der leitenden Periode ein Strom von 560 mA und während der Auszeit des Transistors ein Strom von 335 mA durch die Lampe. Bei der bekannten Anordnung soll der Transistor nach Möglichkeit so geschaltet werden, daß die Elektroden während des Betriebs der Leuchtstofflampe gleichmäßig belastet werden, d. h. daß die Elektroden von der gleichen Elektrizitätsmenge während der leitenden bzw. sperrenden Periode des Transistors durchsetzt wer den. Damit soll bei Quecksilberdampfentladungslampen die Quecksilberdampfwanderung (Kataphorese), die zu einer Verarmung des Quecksilberanteils im Anodenbereich führen kann, wodurch die Lichtausbeute sinkt, vermieden werden. Zu diesem Zweck wird der Transistor mit unterschiedlichen Ein- und Ausschaltzeiten so geschaltet, daß die jeweilige Elektrizitätsmenge, d. h. das Produkt aus Lampenstrom und Ein- bzw. Ausschaltzeit während der leitenden bzw. sper renden Periode des Transistors gleich ist.The operation of the known arrangement is as follows. When the transistor is turned on, a current flows from positive pole of the supply voltage via the electrical the, the coil and the transistor to the negative pole, the preheated the electrodes at the same time. When locking of the transistor becomes a voltage spike in the coil induced and if the electrodes previously opened enough have been heated, the lamp will ignite. During the Operation of the lamp flows when the transi is switched on a current in each direction in the same direction Lamp and through the coil, which then together to the negati drain the pole of the supply voltage. If the Tran sistor blocks, the inductance of the coil generates one Counter voltage, which entails a current through the lamp drives in the opposite direction. The one through the lamp flowing during the conducting and blocking period Currents are different, for example flows under the conditions specified in the document during the conductive period a current of 560 mA and a current of 335 mA during the transistor's time-out through the lamp. In the known arrangement, the If possible, the transistor should be switched so that the Electrodes during the operation of the fluorescent lamp be evenly loaded, d. H. that the electrodes of the same amount of electricity during the conductive or blocking period of the transistor the. This is said to be the case with mercury vapor discharge lamps Mercury vapor migration (cataphoresis) leading to a Depletion of the mercury content in the anode area can be avoided, which reduces the light output. For this purpose, the transistor is different Switched on and off times so that the respective Amount of electricity, d. H. the product of lamp current and On or off time during the conductive or off period of the transistor is the same.

Die bekannte Anordnung hat den Nachteil, daß trotz der gleichmäßigen Belastung der Elektroden immer unter schiedliche Ströme während des Betriebs der Lampe auf treten. Dies führt zu Schwankungen im zeitlichen Verlauf der Helligkeit und demzufolge zu einer unerwünschten Lichtmodulation, was sich besonders bei Messungen, die Gleichlicht voraussetzen, als störend erweist. Des weiteren wird aufgrund der unterschiedlichen Ein- und Ausschaltzeit des Schalttransistors dieser mit einem ungeraden Tastverhältnis ein- und ausgeschaltet, was einen zusätzlichen technischen Aufwand zur Steuerung des Taktgenerators erfordert.The known arrangement has the disadvantage that despite uniform loading of the electrodes always under different currents during operation of the lamp to step. This leads to fluctuations over time the brightness and consequently an undesirable one Light modulation, which is particularly evident in measurements that Assuming constant light proves to be annoying. Of further is due to the different inputs and Switch-off time of the switching transistor with a odd duty cycle on and off what an additional technical effort to control the Clock generator required.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Ansteuerung von Leuchtstofflampen zu schaffen, bei der mit einem geringen technischen Aufwand eine Minimierung der Lichtmodulation bewirkt werden kann.The invention is therefore based on the object Arrangement for controlling fluorescent lamps create with a little technical effort a minimization of the light modulation can be brought about.

Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.The task is carried out in the characterizing part of the Main claim specified features solved.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Ansteuerung einer Leuchtstofflampe besteht im wesentlichen aus zwei elek tromagnetisch entkoppelten Zweigen, die über die Ein gangsklemmen der Anordnung, an denen die Versorgungs spannung anliegt, parallel geschaltet sind. Jeder Zweig besteht aus einer Reihenschaltung einer Induktivität, einer Elektrode der Leuchtstofflampe und einem Schalt transistor. Die beiden Schalttransistoren werden im Gegentakt mit einem Tastverhältnis 1 : 1 ein- und aus geschaltet.The inventive arrangement for controlling a Fluorescent lamp consists essentially of two elec tromagnetically decoupled branches that over the one aisle clamps of the arrangement on which the supply voltage is present, are connected in parallel. Every branch consists of a series connection of an inductor, an electrode of the fluorescent lamp and a switch transistor. The two switching transistors are in the Push-pull on and off with a 1: 1 duty cycle switched.

Die Erfindung zeichnet sich vor allem dadurch aus, daß während des Betriebs der Leuchtstofflampe nicht nur die Elektroden gleichmäßig belastet werden, sondern auch der durch die Entladungsstrecke fließende Strom nahezu rechteckförmig ist. Dies ergibt einen nahezu konstanten Helligkeitsverlauf, was ein entscheidender Vorteil für Messungen ist, die Gleichlicht voraussetzen. Die geringe Lichtmodulation ist bei Wahl entsprechend kleiner Induk tivitäten und entsprechend angepaßter Ansteuerfrequenz auf den symmetrischen Aufbau der Schaltung und die elek tromagnetische Entkopplung der Komponenten, vor allem der Induktivitäten, zurückzuführen. Über eine Regelung der Ansteuerfrequenz oder der Versorgungsspannung kann eine Helligkeitsregulierung sehr leicht realisiert werden.The invention is particularly characterized in that not only during the operation of the fluorescent lamp Electrodes are evenly loaded, but also the current flowing through the discharge path almost is rectangular. This results in an almost constant Brightness curve, which is a decisive advantage for Is measurements that require constant light. The minor When selected, light modulation is correspondingly small activities and correspondingly adjusted control frequency on the symmetrical structure of the circuit and the elek tromagnetic decoupling of the components, especially the Inductors. About a regulation of Control frequency or the supply voltage can be a Brightness control can be implemented very easily.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung wird nachstehend anhand der Figur näher erläu tert.A preferred embodiment of the invention The arrangement is explained in more detail below with reference to the figure tert.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zum Zünden und Betrieb einer Leuchtstofflampe. Fig. 1 shows a circuit arrangement for igniting and operating a fluorescent lamp.

In Fig. 1 bezeichnen 1 und 2 Eingangsklemmen der Anord nung, von denen die Klemme 1 mit dem positiven Pol einer Gleichspannungsquelle und die Klemme 2 mit dem negativen Pol verbunden wird. Die Klemme 1 ist über die beiden elektromagnetisch entkoppelten parallelen Zweige 20 und 21 mit der Klemme 2 verbunden. Die beiden Zweige 20 und 21, die in einer ersten Reihenschaltung eine Induktivität 6, eine Elektrode 4 der Leuchtstofflampe 3 und einen Schalttransistor 8 sowie in einer zweiten Reihenschaltung die Induktivität 7, die Elektrode 5 der Leuchtstofflampe 3 und einen Schalttransistor 9 umfassen, sind vollkommen symmetrisch aufgebaut. Die Basisanschlüsse der beiden Schalttransistoren 8 und 9 sind über die Klemme 11 mit einem Steuergerät 12 verbunden, wobei mit Hilfe des zwischen der Klemme 11 und der Basis des Transistors 9 geschalteten Inverters 10 die Transistoren 8 und 9 im Gegentakt ein- und ausgeschaltet werden. Als Schalttran sistoren werden vorzugsweise hochspannungsfeste MOSFET- Transistoren verwendet.In Fig. 1 denote 1 and 2 input terminals of the Anord voltage, of which the terminal 1 is connected to the positive pole of a DC voltage source and the terminal 2 to the negative pole. Terminal 1 is connected to terminal 2 via the two electromagnetically decoupled parallel branches 20 and 21 . The two branches 20 and 21 , which comprise an inductor 6 , an electrode 4 of the fluorescent lamp 3 and a switching transistor 8 in a first series circuit and the inductance 7 , the electrode 5 of the fluorescent lamp 3 and a switching transistor 9 in a second series circuit, are completely symmetrical built up. The base terminals of the two switching transistors 8 and 9 are connected via terminal 11 to a control device 12, the transistors 8 and 9 turn with the help of between terminal 11 and the base of the transistor 9 connected inverter 10 in push-pull on and off. High-voltage-resistant MOSFET transistors are preferably used as switching transistors.

Die Wirkungsweise der Anordnung gemäß Fig. 1 ist fol gende. Wenn das Steuergerät 12 in Betrieb gesetzt wird, werden die beiden Schalttransistoren 8 und 9 im Gegentakt beispielsweise mit einer Frequenz von ca. 50 kHz mit einem Tastverhältnis 1 : 1 ein- und ausgeschaltet. Ist beispielsweise der Schalttransistor 8 leitend, so fließt ein Strom von der Klemme 1 über die Induktivität 6, die Elektrode 4, den Transistor 8 zur Klemme 2. Der Strom steigt etwa linear mit der Zeit an und erreicht seinen Maximalwert in Abhängigkeit von der Größe der Induktivi tät 6 und der Einschaltdauer. Durch das sich aufbauende Magnetfeld wird Energie in der Induktivität 6 gespei chert, deren Betrag proportional zum Quadrat des Strom maximums ist. Durch den Stromfluß wird gleichzeitig die Elektrode 4 vorgeheizt. Nach einer halben Periode des Ansteuersignals kehren sich die Verhältnisse um und der Transistor 9 wird leitend.The operation of the arrangement of FIG. 1 is fol restrictive. When the control device 12 is put into operation, the two switching transistors 8 and 9 are switched on and off in push-pull mode, for example at a frequency of approximately 50 kHz with a pulse duty factor of 1: 1. If, for example, the switching transistor 8 is conductive, a current flows from the terminal 1 via the inductance 6 , the electrode 4 and the transistor 8 to the terminal 2 . The current increases approximately linearly with time and reaches its maximum value depending on the size of the inductance 6 and the duty cycle. The magnetic field that builds up stores energy in inductance 6 , the amount of which is proportional to the square of the current maximum. The electrode 4 is simultaneously preheated by the current flow. After half a period of the drive signal, the situation is reversed and the transistor 9 becomes conductive.

Beim Sperren des Transistors 8 wird in der Induktivität 6 eine Spannungsspitze induziert, deren Polarität dem bis herigen Stromfluß entgegengesetzt ist. Dadurch wird das Potential an der Elektrode 4 der Leuchtstofflampe 3 positiver als der positive Pol der Versorgungsspannung der Klemme 1; beispielsweise können Spitzen, die weit über der Versorgungsspannung liegen, erreicht werden, solange die Lampe noch nicht gezündet hat. Wenn die Elek troden 4 und 5 der Leuchtstofflampe 3 genügend vorgeheizt sind, genügen die hohen Spannungsspitzen, um die Zündung der Lampe zu bewirken.When transistor 8 is blocked, a voltage spike is induced in inductor 6 , the polarity of which is opposite to the current flow to date. As a result, the potential at the electrode 4 of the fluorescent lamp 3 becomes more positive than the positive pole of the supply voltage of the terminal 1 ; for example, peaks that are far above the supply voltage can be reached as long as the lamp has not yet ignited. When the electrodes 4 and 5 of the fluorescent lamp 3 are sufficiently preheated, the high voltage peaks are sufficient to cause the lamp to ignite.

Wenn die Leuchtstofflampe 3 brennt und beispielsweise der Transistor 8 gesperrt und der Transistor 9 leitend ist, fließt von der Elektrode 4 durch die Entladungsstrecke der Leuchtstofflampe 3 zur Elektrode 5 ein Entladungs strom. Dieser überlagert sich mit dem Strom, der von der Klemme 1 zur Elektrode 5 fließt und diese vorheizt, um mit diesem gemeinsam durch den leitenden Transistor 9 zur Klemme 2 der Versorgungsspannung abzufließen. Nach einer halben Periode des Ansteuersignals kehren sich die Ver hältnisse um und der Transistor 9 wird gesperrt und der Transistor 8 leitend. Der Strom durch die Entladungs strecke der Lampe 3 fließt nun von der Elektrode 5 zur Elektrode 4 und überlagert sich mit dem Strom der von der Klemme 1 der Anordnung durch die Induktivität 6 fließt. Der Gesamtstrom fließt durch den leitenden Transistor 8 zum negativen Pol der Versorgungsspannung ab.When the fluorescent lamp 3 burns and, for example, the transistor 8 is blocked and the transistor 9 is conductive, a discharge current flows from the electrode 4 through the discharge path of the fluorescent lamp 3 to the electrode 5 . This overlaps with the current that flows from the terminal 1 to the electrode 5 and preheats it in order to flow together with it through the conductive transistor 9 to the terminal 2 of the supply voltage. After half a period of the drive signal, the situation is reversed and the transistor 9 is blocked and the transistor 8 is conductive. The current through the discharge path of the lamp 3 now flows from the electrode 5 to the electrode 4 and is superimposed with the current flowing from the terminal 1 of the arrangement through the inductor 6 . The total current flows through the conductive transistor 8 to the negative pole of the supply voltage.

Bei der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung wurde beispielsweise als Versorgungsspannung für eine Leuchtstofflampe von 9 Watt eine Gleichspannung von 30 bis 40 V verwendet. Zur Ansteuerung der beiden Schalttransistoren 8 und 9 wurde einherkömmliches Steuergerät 12 verwendet. Die zum Ein- und Ausschalten der Schalttransistoren 8 und 9 verwen deten Ansteuersignale wurden aus einer Rechteckspannung mit einer Frequenz von ca. 50 kHz erhalten. Die beiden Transistoren 8 und 9 wurden im Gegentakt mit einem Tast verhältnis 1 : 1 ein- und ausgeschaltet. In the described preferred embodiment of the arrangement according to the invention, a DC voltage of 30 to 40 V was used, for example, as the supply voltage for a fluorescent lamp of 9 watts. A conventional control device 12 was used to control the two switching transistors 8 and 9 . The drive signals used for switching the switching transistors 8 and 9 on and off were obtained from a square-wave voltage with a frequency of approximately 50 kHz. The two transistors 8 and 9 were switched on and off in push-pull ratio 1: 1.

Trotz der Einfachheit im schaltungstechnischen Aufbau ist mit der erfindungsgemäßen Anordnung ein Helligkeitsver lauf mit nur sehr geringer Modulationstiefe bei gleich mäßiger Belastung der Elektroden erreichbar. Diese geringe Modulation ist ein entscheidender Vorteil bei Messungen, die Gleichlicht erfordern. Nicht vermeidbare, durch die Umsteuerung bedingte hochfrequente Modulations anteile lassen sich durch einfache Tiefpaßfilter leicht vom Nutzsignal trennen.Despite the simplicity in the circuitry structure with the arrangement according to the invention a brightness ver run at the same with only a very small modulation depth moderate load on the electrodes. These Low modulation is a key benefit Measurements that require constant light. Unavoidable, high-frequency modulation caused by the reversal portions can be easily obtained using simple low-pass filters separate from the useful signal.

Über eine Regelung der Ansteuerfrequenz oder aber der Versorgungsspannung ist eine Helligkeitsregelung und Stabilisierung der Entladung sehr leicht zu realisieren.Via a control of the control frequency or Supply voltage is a brightness control and Discharge stabilization very easy to implement.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein vom Ver sorgungsstrom oder vom Helligkeitssignal angesteuerter Spannungs-Frequenzwandler mit steigender Charakteristik genutzt, um die Ansteuerfrequenz und damit den Entla dungsstrom zu regeln bzw. zu stabilisieren. Mit zuneh mender Frequenz nimmt der Entladungsstrom und damit die Helligkeit ab.According to a preferred embodiment, a Ver supply current or controlled by the brightness signal Voltage-frequency converter with increasing characteristics used to the control frequency and thus the discharge regulate or stabilize the supply current. With increasing emitting frequency takes the discharge current and thus the Brightness.

Eine Regelung der Helligkeit läßt sich auch über eine Ansteuerung der Versorgungsspannung (mit fallender Charakteristik) aufbauen, da mit steigender Spannung Strom und Helligkeit zunehmen.The brightness can also be controlled via a Control of the supply voltage (with falling Characteristic) build up as the voltage increases Electricity and brightness increase.

Claims

1. Arrangement for controlling a fluorescent lamp with two preheatable electrodes, the arrangement comprising inductive means, switching elements and a control device and being supplied by a supply voltage source, characterized in that two electromagnetically decoupled branches, each with a series circuit, consisting of an electrode ( 4 , 5 ) of the fluorescent lamp, an inductance ( 6 , 7 ) and a switching transistor ( 8 , 9 ), connected in parallel with respect to the voltage source, and the switching transistors ( 8 , 9 ) are switched on and off in push-pull.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the two switching transistors ( 8 , 9 ) with the aid of an inverter ( 10 ) and a control device ( 12 ) are switched on and off in push-pull with a pulse duty factor 1: 1.

3. Arrangement according to claim 2, characterized records that high as switching transistors Voltage-proof MOSFET transistors are used.

4. Arrangement according to claim 1, characterized records that when using small induc activities the control frequency in the range of 20 to 100 kHz.

5. Arrangement according to claim 1, characterized records that to regulate the brightness or Stabilization of the discharge current a voltage Frequency converter provided with increasing characteristics is that of the supply current or the brightness signal the lamp is controlled.