NL9000680A - Hoogfrequent voorschakelapparaat. - Google Patents

Description

NEDAP N.V.

Groenlo.

Hoogfrequent voorschakelapparaat

De uitvinding betreft een hoogfrequent voorschakelapparaat voor midden- en hogedruk metaaldamp gasontladings-lampen. Hoogfrequent voorschakelapparaten kunnen zeer compact zijn en zijn goed regelbaar.

Hoogfrequent voorschakelapparaten voor het genoemde type lampen zijn onder andere bekend uit publicaties DE 3445817, DE 3623306, ÜS 4170747 en EUR 0240049.

De in publicatie DE 3445817 en EUR 0240049 beschreven voorschakelapparaten bevatten een regelbare gelijkspanning-gelijkspanningsomzetter, gevolgd door een wisselrichter.

Met deze oplossing worden akoestische resonanties in de gas-ontladingsboog voorkomen, maar het voorschakelapparaat wordt relatief duur en omvangrijk, omdat twee in serie geschakelde vermogensomzetters moeten worden gebruikt.

De in publicatie DE 3623306 en US 4170747 beschreven voorschakelapparaten bestaan weliswaar uit één enkele brug-omzetter, maar er worden gescheiden stuurcircuits toegepast om één zijde van de brug met een hoge frequentie aan te sturen en de andere zijde met een lage frequentie. Dit brengt in vergelijking tot een brugomzetter waarbij één aanstuur-frequentie wordt toegepast, extra kosten met zich mee. Voorts wordt in alle genoemde publicaties een separate schakeling gebruikt om de lampen te ontsteken, hetgeen de schakeling relatief duur en omvangrijk maakt.

Het is bekend, onder andere uit publicatie DE 3511661, om gasontladingslampen te ontsteken door gebruik te maken van de opslingering van de spanning in een serie-resonantie-kring. De bekende schakelingen zijn echter niet zonder meer te gebruiken voor grote vermogens.

In geen van de bovengenoemde voorschakelapparaten zijn speciale maatregelen genomen om lampvermogen, lichtintensiteit of lamptemperatuur te stabiliseren, zoals in vele industriële toepassingen van midden- en hogedruk gasontladingslampen met middelgrote vermogens, in de grootte-orde van 500 W tot 3000 W wenselijk is.

Voorts wordt in geen van de genoemde publicaties aandacht besteed aan het probleem van devermcgensfactor (power-factor). Dit probleem ontstaat als de ingangsgelijkspanning van de brugomzetter wordt verkregen door een netwisselspanning gelijk te richten en af te vlakken.

Hierbij ontstaan hogere harmonische stromen in het voedende net, die tot extra verliezen kunnen leiden in het wissel-spanningsdistributienet, en die smeltveiligheden eerder kunnen doen aanspreken. Ook kan hierdoor vervorming van de spanningsvorm in het voedende wisselspanningsnet optreden.

Er zijn schakelingen bekend die dit probleem opvangen. Hierbij wordt echter gebruik gemaakt van een extra zelf- inductie en een extra halfgeleiderschakelelement met bijbehorende stuurschakelingen, hetgeen tot extra kosten leidt en het apparaat omvangrijker maakt.

Een dergelijke methode is bijv. beschreven in artikel "Simplified Control Algorithm for Active Power Factor Correction" door Neil J. Barabas, Proceedings of the tenth international PCI-85 Conference, pp. 1-9. Een eenvoudiger methode voor power factor correctie in het bijzonder ook voor hoogfrequent voorschakelapparaten is voorts beschreven in "A power Factor Corrected, MOSFET Multiple Output,

Flyback Switching supply" door J.J. Spangler, Proceedings of the tenth international PCI-85 Conference, pp. 19-32.

Ook deze methode vereist echter extra vermogenscomponenten en brengt daardoor extra kosten mee.

Uit NL-A-8600812 en DE-A-3505182 is het bekend om het lampvermogen van een hogedruk gasontladingslamp stabiel te houden en te regelen. Hierbij wordt echter gebruik gemaakt van een lage lampfrequentie.

Het is algemeen bekend zogenaamde volle brugschakelingen toe te passen voor het omzetten van een gelijkspanning in een wisselspanning met hoge frequentie. Hierbij worden vaak stuurtransformatoren toegepast voor de aansturing van de schakelelementen van de brugschakeling, zonodig gevolgd door een bufferschakeling om de stuuraansluiting van het schakelelement, laagohmig aan te kunnen sturen.

Deze bufferschakelingen hebben dan echter weer voedingsspanning nodig, waarvoor gescheiden wikkelingen van een aparte transformator gebruikt worden, hetgeen vrij veel extra kosten met zich mee brengt en extra ruimte kost.

De uitvinding beoogt een verbeterd hoogfrequent voor-schakelapparaat ter beschikking te stellen, dat betrouwbaar werkt, compact is en relatief goedkoop kan worden gebouwd. Meer in het bijzonder beoogt de uitvinding een hoogfrequent voorschakelapparaat, dat één enkele brugomzetter omvat en waarvan de frequentie over een groot bereik kan worden gevarieerd om het lampvermogen te kunnen regelen. Ook beoogt de uitvinding een hoogfrequent voorschakelapparaat dat de lampen zonder speciale additionele startcircuits kan ontsteken, en waarbij akoestische resonanties worden voorkomen.

Een ander doel is op eenvoudige wijze een instelling en stabilisatie van het lampvermogen of de lichtintensiteit mogelijk te maken. Nog een ander doel is een geregelde geforceerde koeling van de lamp mogelijk te maken, waardoor nog kompaktere lampen met een grote vermogensdichtheid kunnen worden geconstrueerd, terwijl dan tevens een optimale lamptemperatuur over een groot vermogensbereik kan worden gehandhaafd.

Nog een ander doel is een zodanige stuurschakeling voor de vermogensschakelelementen van de brugomzetter te verschaffen, dat geen aparte voedingstransformator nodig is voor de achter de stuurtransformator geschakelde buffertrappen. Een dergelijke stuurschakeling brengt dus weinig extra kosten mee en kan goed geminiaturiseerd worden.

Nog een ander doel is bij voeding uit een wisselspan- ningsnet een goede vermogensfactor te verkrijgen in de grootte-orde van 0,8 a 0,9 zonder gebruik van extra componenten.

De volgende maatregelen kunnen bijdragen tot het bereiken van de bovengenoemde doelen.

In de eerste plaats kan gebruik worden gemaakt van een brugomzetter bestaande uit vermogens MOSFETS of andere vermogensschakelelementen waarbij aan de uitgangszijde van de brugschakeling de lamp in serie geschakeld is met één of meer stroombegrenzende zelfinducties, terwijl parallel aan de lamp één of meer condensatoren zijn aangebracht. Voorafgaand aan het ontsteken vai de lamp wordt de aanstuur-freguentie van de brug boven de resonantiefreqüentie van de seriekring, gevormd door genoemde stroombegrenzende zelfinducties en condensatoren, gekozen en deze frequentie wordt vervolgens geleidelijk verlaagd, totdat bij een aanstuurfrequentie, die dicht boven de resonantiefreqüentie ligt, een sterke opslingering van de spanning over de lamp optreedt, waardoor deze kan ontsteken. In normaal bedrijf kan frequentiemodulatie van de uitgangsspanning worden toegepast, zodat de akoestische trillingskringen in de lamp niet sterk kunnen worden aangestoten.

In het bijzonder kan de frequentiemodulatie gesynchroniseerd worden met de dubbele netfrequentie. Een hoge frequentie geeft een gering vermogen aan de lamp door toename van de impedantie van de stroombegrenzende spoelen. Door nu de frequentiemodulatie zo te kiezen, dat het meeste vertogen aan de lampen wordt af gegeven rond de positieve en negatieve toppen van de netspanning kan de afvlakconden-sator, die na de netgelijkrichter volgt, klein gehouden worden. Deze dient dan in wezen alleen nog om rond de nuldoorgangen van de netspanning een restgelijkspanning te leveren om via de brugomzetter de lampen in geleidende toestand te houden, echter met een laag momentaan vermogen. De genoemde frequentiemodulatie kan worden verzorgd door een in de besturing van de omvormer opgenomen microprocessor en kost derhalve geen extra componenten.

Verder wordt door meting van lampspanning, ingangsstroom en ingangsspanning van de omzetter en eventueel de lichtintensiteit van de lampen, de bedrijfstoestand van de lampen gecontroleerd. Door in het programma van de microprocessor opgeslagen gegevens kunnen dan de aanstuurfrequen-tie voor de brugomvormer en ventilatorsnelheid zodanig worden ingesteld, dat de lampen het gewenste vermogen of de gewenste lichtintensiteit leveren en tevens de gewenste lamptemperatuur wordt gehandhaafd.

Verder wordt de bufferschakeling voor de vermogens-schakelelementen van de brugomzetter, welke bufferschakeling een groot frequentiebereik voor de aansturing van de brugomzetter toelaat, gevoed door een condensator, die tussen de bufferschakeling van het vermogensschakelele-ment dat de uitgangswisselspanning volgt en één van de ingangsvoedingspolen of de hiermee verbonden bufferschakeling is verbonden.

Volgens de uitvinding wordt een voorschakelapparaat voor gasontladingslampen in het bijzonder geschikt voor midden- en hogedruk gasontladingslampen, omvattend een door een gelijkspanningsbron via twee ingangsgelijkspannings-klemmen gevoede brugomvormer met ten minste twee vermogens-schakelelementen, die elk zijn voorzien van een stuurelek-trode, waarbij aan de uitgangszijde van de brugomvormer een uit ten minste één zelfinductie en ten minste één in bedrijf parallel met ten minste één gasontladingslamp verbonden condensator bestaand seriecircuit is verbonden, en waarbij met elke stuurelektrode een bufferschakeling is verbonden, die in bedrijf via een koppelelement door een door een besturingseenheid bestuurde stuurschakeling van besturingssignalen wordt voorzien, daardoor gekenmerkt dat voor het verschaffen van voedingsspanning aan ten minste die bufferschakelingen die zijn verbonden met de stuurelektrode van een vermogensschakelelement waarvoor geldt dat de door het vermogensschakelelement vloeiende stroom in hoofdzaak in fase is met de uitgangswisselspannmg van de brugomzetter telkens een condensator is voorzien, waarvan de ene aansluitklem is verbonden met de anode van een eerste diode waarvan de kathode met de positieve voedingsaansluiting van de desbetreffende buf ferschakelmg is verbonden en met de kathode van een tweede diode, waarvan de anode is verbonden met de negatieve voedingsaansluiting van de desbetreffende bufferschakeling, waarbij de tweede aansluitklem van de condensator is verbonden met een punt dat ongeveer de potentiaal heeft van één der ingangsgelijk-spanningsklemmen.

In het volgende zal de uitvinding nader worden toegelicht met verwijzing naar de bijgevoegde tekening van enkele uitvoeringsvoorbeelden.

Fig. 1 toont een blokschema van een mogelijke uitvoeringsvorm van een voorschakelapparaat volgens de uitvinding; fig. 2 en fig. 3 tonen schematisch alternatieve uitvoeringsvormen van een voorschakelapparaat volgens de uitvinding; fig. 4 toont een voorbeeld van een voedingsschakeling voor buffertrappen die in een voorschakelapparaat volgens de uitvinding kunnen worden toegepast; fig. 5 toont schematisch een uitvoeringsvoorbeeld van een buffertrap; fig. 6 illustreert in een blokschema een mogelijke wijze om een voorschakelapparaat volgens de uitvinding te besturen en te regelen; fig. 7 toont enkele belangrijke golfvormen van stromen en spanningen in een voorschakelapparaat volgens de uitvinding; en fig. 8 toont enkele belangrijke parameters als functie van de tijd, tijdens de ontsteek- en opwarmfase van de lamp.

In de schakeling volgens fig. 1 wordt een ingangsgelijk-spanning IK, die tussen ingangsklemmen 1 en 2 heerst en bv.

verkregen kan worden door 220 V wisselspanning in een ingangstrap 70 met een gelijkrichter 7 gelijk te richten en met een condensator 72 af te vlakken, omgezet in een hoogfrequent blokspanning. Hiertoe worden bestuurbare schakelelementen 2 en 5 resp. 3 en 4, die een brugomzetter (bruginverter) vormen, beurtelings in de geleidende toestand gebracht. De verkregen blokspanning wordt toegevoerd aan een serieschakeling die in dit voorbeeld wordt gevormd door zelfinducties 6 en 7, en condensator 8. De condensator 8 is parallel met de lamp 9 verbonden.

Voorafgaand aan het ontsteken van de lamp ligt de aanstuurfrequentie van de bruginverter boven de resonantie-frequentie van het seriecircuit gevormd door zelfinducties 6 en 7, en condensator 8. Het seriecircuit is nu inductief en de golfvormen van spanning (op punt A) en de stromen door de schakelelementen zijn als weergegeven in fig.

7. Elk schakelelement is voorzien van een vrijloopdiode 12,13,14,15. Een negatieve waarde van de stroom i^/ ii^, i^ resp. , i^, i^2' ^15 ^ete^ent dat de vrijloopdiodes 12,13,14 of 15 in geleiding zijn.

Bij hoogfrequent bedrijf van de brug is het van belang, dat eerst de diodes in geleiding komen, en daarna de bestuurbare vermogensschakelelementen, omdat de diodes dan vrij kunnen herstellen, en niet door het tegenoverliggende schakelelement bruut geredresseerd worden, hetgeen tot zeer grote piekstromen en zelfs defect raken van de omvormer kan leiden. De aanstuurfrequentie wordt vervolgens geleidelijk verlaagd en als deze de resonantiefrequentie van bovengenoemde seriekring benadert, wordt de spanning over condensator 8, en dus over de lamp 9, zeer hoog, waardoor de lamp ontsteekt. De lamp belast nu de kring en dempt deze overkritisch, waardoor nu de elementen 6,7 en 8 een laagdoorlaatfilter vormen. De aanstuurfrequentie kan nu nog verder worden verlaagd'en de belasting van de brug blijft daarbij induktief. De weerstand van de ontstoken midden- of hoge druk gasontladinslamp 9 is aanvankelijk zeer laag. Derhalve is dan nog een relatief hoge frequentie van de spanning over circuit 6,7,8,9 nodig.om de impedantie van zelfinductie 6 en 7 zo hoog te houden dat de stroom op een voor de schakelelementen 2,3,4,5 en lamp 9 een acceptabele waarde begrensd blijft. Als de lamp opwarmt, neemt de weerstand van de lamp toe, waardoor bij gelijkblijvende lampstroom de aanstuurfrequentie verder verlaagd kan worden.

De uiteindelijke bedrijfstoestand van de lamp wordt door de in fig. 6 weergegeven besturingseenheid, die later zal worden beschreven, bepaald. De besturingseenheid bepaalt op grond van lampspanning, ingangsstroom van de brug, voedingsspanning van de brug, en externe informatie, bijv. gewenst lampvermogen, of verschil tussen gewenste en werkelijke lichtintensiteit, welke aanstuurfrequentie gekozen moet worden. Hierbij leidt een lagere frequentie tot een lagere impedantie van de zelfinducties 6 en 7 en derhalve bij gelijke lampweerstand tot grotere stromen. De topwaarde van lampspanning is hierbij steeds kleiner dan de waarde van de voedingsspanning die op klemmen 1 en 2 wordt aangeboden.

Fig. 2 toont een alternatieve uitvoeringsvorm. In deze uitvoeringsvorm zijn extra condensatoren 16,17,18 en 19 tussen de aansluitklemmen van de lamp en één van de voedingslijnen verbonden, De condensatoren 16,18 zijn met parallel daaraan verbonden weerstanden 20 en 21 als capacitieve spanningsdeler geschakeld, die frequentie-onafhankelijk is, en die de piekspanning zoals die op één zijde van de lamp kan ontstaan, reduceert van bijv.

2000 V tot bijv. 10 V. Condensatoren 17,19 en weerstanden 22,23 zijn op soortgelijke wijze verbonden. Een piekspan-ningsdetector IQ is verbonden met het knooppunt tussen de condensatoren 16 en 18, met de genoemde voedingslijn en met het knooppunt tussen de condensatoren 17 en 19.

De piekspanningsdetector kan een stuursignaal 24 aan de besturingseenheid geven bij het overschrijden van een bepaalde waarde van de lampspanning, waarna de aansturing van de brug wordt geblokkeerd en alle vermogensschakelele-menten gesperd worden. De spanningsdrempel waarbij de aansturing wordt gestopt, ligt lager dan de waarde die bij resonantie van het seriecircuit kan optreden, en die meestal bepaald wordt door kernverzadigingsverschijnselen van zelfinducties 6 en 7. De drempelwaarde wordt zo gekozen, dat enerzijds de stromen door de schakelelementen op acceptabele waarden begrensd blijven, terwijl anderzijds de lamp toch nog op betrouwbare wijze kan ontsteken.

Door op bovengenoemde wijze te werk te gaan, wordt schade aan het voorschakelapparaat als de lamp niet aangesloten is of nog zeer warm is en dan door de hoge gasdruk niet kan ontsteken, voorkomen.

Nog een andere uitvoeringsvorm is weergegeven in fig.3. Hier is vergeleken met een voorbeeld van fig. 2 slechts een halve brug, die de schakelelementen 2 en 3, en de vrijloopdiodes 12 en 13 omvat, toegepast. Tevens is een extra koppelcondensator 11 aanwezig om een gelijkspannings-component in de aanstuurspanning te blokkeren.

De lampspanning heeft in dit geval in verhouding tot de bronspanning over de klemmen 1 en 2 bij verder gelijke bedrijfscondities de halve waarde van die in fig. 1 en 2.

In fig. 4 is weergegeven hoe de bufferschakelingen 39 en 40 via welke de vermogensschakelelementen 2,3 worden bestuurd, kunnen worden gevoed. Een condensator 30 is geschakeld tussen de knooppunten van diodepaar 28,29 enerzijds en diodepaar 31,32 anderzijds. Voordat de omvormer begint te werken, worden de bufferschakelingen 39,40 via weerstanden 35 en 36 van voedingsspanning voorzien. De voedingsspanning wordt gestabiliseerd door parallel met de bufferschakelingen verbonden zenerdiodes 34 en 38 en voor hoge frequenties ontkoppeld middels condensatoren 33 en 37. Het is van belang dat de bufferschakelingen 39 en 40 in uitgeschakelde toestand een gering stroomverbruik hebben om onnodige energiedissipatie in de weerstanden 35 en 36 te voorkomen. Zodra de omvormer in werking wordt gesteld en stuursignalen 01 en 02 een stuurschakeling 25 activeren worden via door de stuurschakeling 25 bekrachtigde koppeltransformatoren 26 en 27 de bufferschakelingen aangestuurd. Op punt A ontstaat dan de in .fig. 7 weergegeven blokspanning UA. Deze spanning veroorzaakt het beurtelings op- en ontladen van condensator 30, waarbij beurtelings diodes 28 en 32, resp. diodes 29 en 31 in geleiding komen.

De capaciteitswaarde van condensator 30 is zodanig gekozen, dat deze ruimschoots voldoende is om de lading, die nodig is voor de gate-source en gate-drain capaciteiten van de bijv. als MOSFET's, IGBT's, of als Darlington combinatie van MOSFET en BJT uitgevoerde vermogensschakelelementen, te kunnen leveren. Condensator 30 dient tevens als dV/dt-begrenzer, en vermindert de schakelverliezen in de vermogen-schakelelementen. In principe zou de bufferschakeling 40 uit dezelfde voedingsspanning als bijv. de stuurschakeling 25 kunnen worden gevoed en zou éên aansluiting van condensator 30 direct met de negatieve voedingslijn in plaats van met het knooppunt van diode 31 en 32 kunnen worden verbonden. Er treden echter tengevolge van het zeer snelle schakelen (toff£ 30 nsec) grote spanningspieken op, zodat het de voorkeur verdient de voeding voor bufferschakeling 40 toch geïsoleerd, en direct bij het schakel-element 3 resp. 13 aan te bieden en te ontkoppelen middels condensator 37.

Een uitvoeringsvoorbeeld van de bufferschakeling 39 is weergegeven in fig. 5. Dezelfde schakeling kan voor de andere bufferschakelingen worden toegepast. De uitgangs-spanning van transformator 26, wordt gedipt door een netwerk bestaande uit diodes 42,43 en zenerdiodes 41,44 en heeft dan de vorm zoals weergegeven in fig. 7 bij U26, resp. U27 voor bufferschakeling 40. Schakelelement 2 wordt in geleiding gebracht door een positieve spanning uit trafo 26, waardoor transistor 47 in de geleidende toestand wordt gebracht. De emitter van de transistor is met de stuurelektrode van het schakelelement verbonden en met de hoofdstroomketen van een P-kanaal veldeffekttransistor 51.

Het is hierbij van belang dat de stuurspanning op de basis van transistor 47 lager is dan de spanning op de collector van deze transistor, zodat deze niet verzadigt en zeer snel uit geleiding kan worden gebracht. Voor het uitschakelen van het schakelelement wordt de uitgangsspan-ning van trafo 26 negatief en wordt P-kanaal FET 51 in geleiding gebracht. Een tussen de secundaire wikkeling van de transformator en de basis van de transistor verbonden diode 46 blokkeert nu en door de werking van een tussen basis en emitter verbonden diode 48 en een de diode 46 overbruggende weerstand 52 wordt een negatieve voorspanning van ca. 0.7 V op de basis-emitter overgang van transistor 47 aangeboden.

Zoals uit fig. 7 blijkt, vindt in normaal bedrijf het inschakelen van het schakelelement plaats als de parallel geschakelde vrijloopdiode reeds in geleiding is. Hierdoor hoeft het buffercircuit niet de Miller-drain-gate capaciteit te laden en kan voor de met de stuurelektrode verbonden weerstand 49 een relatief hoogohmige waarde gekozen worden. Door deze keuze wordt dan voorkomen dat bij de eerste maal inschakelen van het schakelelement een te grote piekstroom gaat lopen ten gevolge van het ontladen van condensator 30. Bij het afschakelen van het schakelelement is de Miller drain-source capaciteit echter wel werkzaam. Om nu bij hoge bedrijfsfrequenties de scha-kelverliezen tot een minimum te beperken, is een lage afschakelweerstand nodig, die in dit geval door de kanaal-weerstand van MOSFET-transistor 51 gevormd wordt.

Een dimensioneringsvoorbeeld volgt hieronder.

MOSFET schakelaars 2,3,4,5: 500 V-types met een aan-weerstand van 0.3 ohm en eoidrain-stroom van 13 A continu en 50 A piek.

Voedingsspanning: 250-380 VDC Weerstandwaarde van weerstand 49: 47 Ohm.

Kanaalweerstand van FET 51: 10 Ohm.

Uitgangsspanning van trafo 26: +12V en -12V,

Voedingsspanning van bufferschakeling 39 en 40: 15V.

Dode tijd td: 500 nsec.

Lampvermogen: 1200 W, Brandspanning 150 V effectief.

Een mogelijke uitvoeringsvorm van de besturingsinrich-ting van het voorschakelapparaat is getoond in fig. 6.

Een besturingseenheid 54, die kan zijn uitgerust met een microcomputer, ontvangt via een optisch koppellid 55 informatie van de buitenwereld 56. Deze informatie kan zijn: lamp aan/uit, gewenst lampvermogen, gewenste lichtintensiteit, gemeten lichtintensiteit. Verder meet deze besturingseenheid de volgende interne grootheden: de ingangsspanning U. tussen klem 1 en 2; de gemiddelde ingangsstroom van de brugomvormer door meting van de spanningsval over een weerstand 63 met aansluitingen 61 en 62 zonodig via een niet getoond laagdoorlaatfilter; en de lampspanning gemeten door schakeling 10 en doorgegeven via signaal 64. Verder kan de microcomputer, die zonodig van een eigen batterij-voeding kan zijn voorzien, gegevens uit het verleden vast houden. Deze gegevens kunnen de brandduur, het tijdstip van doven, etc. omvatten.

Voorts kan de besturingseenheid 54 in afhankelijkheid van signaal 64 via een stuurschakeling 65 een ventilator 66 besturen voor lampkoeling. De belangrijkste uitgangs-grootheid van de besturingseenheid bestaat uit een signaal 58 voor een spanningsbestuurde oscillator 57, die weer de ingangssignalen 01 en 02 (59 en 60) voor de stuurschakeling 25 genereert. De besturingseenheid zorgt ervoor dat voorafgaand aan het ontsteken van de lamp de aanstuurfrequentie boven de serieresonantiefrequentie van het eerder genoemde seriecircuit ligt, en dat deze frequentie geleidelijk wordt verlaagd, totdat de lampen ontsteken, of de of de maximum piekspanningswaarde voor de seriekring, gemeten door schakeling 10 wordt overschreden. Voorts bepaalt de besturingseenheid vervolgens op grond van de gemeten lampspanning, de ingangsstroom van de omvormer en de ingangsspanning van de omvormer de gewenste uitgangs-frequentie. Deze zal in het algemeen zo laag mogelijk gekozen worden om de lamp zo snel mogelijk op temperatuur te brengen, zonder dat hierbij de eerder genoemde bedrijfs-parameters overschreden worden.

Indien geforceerde koeling wordt toegepast, zal de besturingseenheid vanaf het moment dat de lampspanning de bij het gemeten vermogen behorende waarde die overeenstemt met de optimale werktemperatuur van de lamp heeft gekregen de lampspanning constant houden door de ventilator op geschikte wijze te besturen. Zou dit niet gebeuren, dan zou de gasdruk in de lamp door temperatuurverhoging verder oplopen, hetgeen in een hogere lampspanning zou resulteren.

De lampspanningen en bijbehorende temperaturen worden tevoren aan één of enkele exemplaren van de te voeden lampen gemeten, waarna deze gegevens in het besturingsprogramma van de microcomputer worden verwerkt. Het stuursignaal voor de spanningsbestuurde oscillator kan in amplitude gemoduleerd worden met een frequentie van bijv. ca. 100 Hz tot ca. 1 kHz. Het stuursignaal voor de brugomvormer wordt hierdoor in frequentie gemoduleerd waardoor akoestische resonanties in de lampen voorkomen kunnen worden. Het is mogelijk de arbeidscyclus van de besturing of zowel de frequentie als de arbeidscyclus te moduleren met vergelijkbare frequenties. In dat geval zal tevens een laag-frequente "off-set" stroom door de lamp gaan lopen die resonanties in het gas mogelijkerwijs kan verhinderen.

In het bijzonder kan de frequentiemodulatie synchroon verlopen met de dubbele netfrequentie, waarbij dan rond de negatieve en positieve toppen van de netspanning een groot vermogen aan de lampen geleverd wordt door een lage aanstuurfrequentie te kiezen, en rond de nuldoorgangen een gering vermogen. De afvlakcondensator, die met de netgelijkrichter is verbonden behoeft dan slechts een kleine waarde te hebben. Het referentiesignaal, nodig om deze frequentiemodulatie te synchroniseren kan de gelijk-spanningsrimpel zijn van de afgevlakte netspanning, die tevens voedingsspanning voor de brug is. Op deze wijze is een power factor van 0,8 I 0,9 realiseerbaar.

Een typisch verloop in de tijd van de parameters, die optreden bij ontsteken, starten, branden en koelen van de lampen is weergegeven in fig. 8. Achtereenvolgens zijn weergegeven het verloop van de topwaarde van de lamp-spanning ü-lamp, de topwaarde van de lampstroom i-lamp, de aanstuurfrequentie van de omvormer "freq.", de luchtverplaatsing van de ventilator "a(ir)f(low)", waarbij zeer lage toerentallen gerealiseerd kunnen worden door aan/uit regeling van de ventilator, en de lichtintensiteit, gewogen volgens een bepaalde spectrale verdeling, "l(ight) o(utput)".

De tijdschaal in interval A is 10 msec/schaaldeel, in interval B 1 min/schaaldeel. Op tijdstip tO wordt de omvormer in werking gesteld onder invloed van een extern stuurcommando "aan". De gewenste lichtintensiteit heeft niveau 1. De omvormer wordt gestart op de hoogste frequentie, waarna de frequentie continu wordt verlaagd. Op tijdstip tl ligt de frequentie nabij de resonantiefrequentie frÊS en is de spanning over het serieresonantiecircuit zo hoog opgeslingerd, dat de lamp ontsteekt. De verlaging van de frequentie gaat door, totdat op tijdstip t2 de maximum toelaatbare waarde van de lamppiekstrook is bereikt.

Deze waarde wordt niet direct gemeten, maar bepaald op grond van het ingangsvermogen van de omzetter (produkt ingangsstroom en ingangsspanning) en de lampspannmg. Vervolgens warmt de lamp op, waardoor de lampspanning toeneemt. De waarde i-lamp wordt nu, uitgaande van de bovenbeschreven indirecte meting, ongeveer constant gehouden.

Als basis voor de berekening kan dienen dat het lamp-vermogen P-lamp wordt gegeven door: P-lamp = Cl . i-lamp.ü-lamp

Hierbij is Cl een constante die afhankelijk is van de golfvorm van lampspanning en lampstroom. Tevens wordt aangenomen, dat de lamp op te vatten is als een zuiver resistief, lineair element. Als de golfvorm tijdens het opwarmen constant blijft, evenals het rendement η van de omvormer, en voorts wordt aangenomen dat de omvormer met een zuivere gelijkspanning U-i wordt gevoed en uit deze bron een gemiddelde stroom I-i opneemt, dan geldt: P-lamp = η .P-i of

Cl i-lamp ü-lamp = η.ϋ-i.I-i of

Bij bekende η en Cl kan dus i-lamp inderdaad door de in de besturingseenheid aanwezige processor worden berekend uit U-i, I-i en ü-lamp welke gemeten worden.

Als de eerder beschreven frequentiemodulatie synchroon met de dubbele netfrequentie wordt toegepast blijven bovengenoemde relaties momentaan gelden, ofschoon de parameters zelf binnen een halve netperiode periodiek variëren. De microprocessor kan nu door middeling van de berekende momentane vermogens, de frequentie zodanig regelen, dat het gemiddelde lampvermogen constant gehouden wordt, dat de maximum toelaatbare stromen door de schakelelementen niet worden overschreden en dat de grootste ingangsstroom loopt rond de maxima en minima van de netspanning. Het microprocessorprogramma kan daartoe een aantal voorgeprogrammeerde modulatiecurves bevatten of een algoritme om deze modulatiecurves te genereren, waarbij in het bijzonder de rimpel van de gelijkspanning U-i gebruikt kan worden als referentiesignaal voor de frequentiemodulatie, zodat geen extra componenten nodig zijn. Op tijdstip t3 is de gewenste waarde van de lichtintensiteit bereikt. De lamp-temperatuur is echter nog niet optimaal. Op tijdstip t4 wordt de optimale werktemperatuur van de lamp bereikt.

De lampspanning stijgt nu nog iets verder en de lampstroom zakt nog iets, waarbij de verhouding lampstroom/lampspanning als regelgrootheid voor de luchtverplaatsing van de ventilator wordt gebruikt. Op tijdstip t5 is een thermisch stabiele situatie ontstaan. Op tijdstip t6 wordt door een extern signaal een nieuwe gewenste lichtintensiteit 2 voorgeschreven. Deze wordt vrijwel onmiddellijk bereikt door lampspanning en lampstroom d.m.v. frequentieregeling bij te stellen.

De lampen hebben nu reeds de juiste temperatuur. Een geringe verandering in de verhouding lampspanning/lampstroom dient nu weer als regelgrootheid voor de luchtverplaatsing van de ventilator, zodat tenslotte op tijdstip t7 een nieuw thermisch evenwicht is ontstaan.

Zoals eerder vermeld zal aan de hand van temperatuur-metingen aan lampen een optimaal regelprogramma moeten worden samengesteld. Deze temperatuurmetingen vinden éénmalig vooraf plaats. Desgewenst kan ook gecorrigeerd worden bij veroudering van de lampen. Ook kan bepaalde verhouding lampvermogen/lichtoutput gebruikt worden om aan te geven dat de lampen aan het einde van hun levensduur zijn gekomen en vervangen dienen te worden. Dit kan dan door een signaal via koppellid 55 aan de buitenwereld 56 worden kenbaar gemaakt.

Claims (23)

1. Voorschakelapparaat voor gasontladingslampen in het bijzonder geschikt voor midden- en hogedruk gasontladingslampen, omvattend een door een gelijkspanningsbron via twee ingangsgelijkspanningklemmen gevoede brugomvormer met ten minste twee vermogensschakelementen, die elk zijn voorzien van een stuurelektrode, waarbij aaide uitgangszijde van de brugomvormer een uit ten minste één zelfinductie en ten minste één in bedrijf parallel met ten minste één gasontladingslamp verbonden condensator bestaand seriecircuit is verbonden, en waarbij met elke stuurelektrode een buffer-schakeling is verbonden, die in bedrijf via een koppelelement door een door een besturingseenheid bestuurde stuurschake-ling van besturingssignalen wordt voorzien, met het kenmerk, dat voor het verschaffen van voedingsspanning aan ten minste die bufferschakelingen (39) , die zijn verbonden met de stuurelektrode van een vermogensschakel-element (2; 4) waarvoor geldt dat de door het vermogens-schakelelement vloeiende stroom in hoofdzaak in fase is met de uitgangswisselspanning van de brugomzetter telkens een condensator (30) is voorzien, waarvan de ene aansluit-klem is verbonden met de anode van een eerste diode (28) waarvan de kathode met de positieve voedingsaansluiting van de desbetreffende bufferschakeling is verbonden en met de kathode van een tweede diode (29) , waarvan de anode is verbonden met de negatieve voedingsaansluiting van de desbetreffende bufferschakeling (39) , waarbij de tweede aansluitklem van de condensator (30) is verbonden met een punt dat ongeveer de potentiaal heeft van één der ingangsgelijkspanningsklemmen (1,2) .

2. Voorschakelapparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de tweede aansluitklem van de condensator (30) is verbonden met de anode van een derde diode (31) waarvan de kathode is verbonden met de positieve voedings·-aansluiting van een tweede bufferschakeling (40), die is verbonden met de stuurelektrode van een vermogensschakel-element (3?5) , waarvoor geldt, dat de door het vermogens-schakelelement vloeiende stroom in tegenfase is met de uitgangswisselspanning van de brugomzetter, waarbij de tweede aansluitklem van de condensator (30) tevens is verbonden met de kathode van een vierde diode (32), waarvan de anode met de negatieve voedingsaansluiting van de tweede bufferschakeling en met één der ingangsgelijkspanningsklem-men is verbonden.

3. Voorschakelapparaat volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de besturingseenheid is ingericht om voorafgaand aan het ontsteken van de gasontladingslamp de brugschakeling zodanig aan te sturen, dat de frequentie van de uitgangspanning boven de resonantiefrequentie van het seriecircuit (6,7,8) ligt, en de frequentie vervolgens geleidelijk te verlagen.

4. Voorschakelapparaat volgens een der voorgaande conclusies, gekenmerkt door een lampspanningsdetector (10), die met de te voeden lamp (9) is verbonden en die een stuursignaal (24) verschaft zodra de over de lamp (9) heersende spanning een voorafbepaalde drempelwaarde overschrijdt, welk signaal blokkering van de vermogensscha-kelelementen (2 t/m 5) tot gevolg heeft.

5. Voorschakelapparaat volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het door de lampspanningsdetector (10) verschafte stuursignaal (24) wordt toegevoerd aan de besturingseenheid (54) .

6. Voorschakelapparaat volgens conclusie 4 of 5, met het kenmerk, dat de lampspanningsdetector (10) via capaci tieve spanningsdelers (16,18; 17,19) is verbonden met de aansluitklemmen van de te voeden gasontladingslamp (9) .

7. Voorschakelapparaat volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat elke bufferschakeling een transistor (47) omvat waarvan de collector met de positieve voedingsaansluiting is verbonden en waarvan de emitter via een relatief hoogohmige weerstand (49) met de stuurelektrode van een vermogensschakelelement (2;3;4;5) is verbondei, terwij 1 de emitter voorts via een P-kanaal veldeffecttr; nsistor (51) met de negatieve voedingsaansluiting is verbonden.

8. Voorschakelapparaat volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de besturingseenheid (54) is verbonden met een optisch koppellid (55), dat externe informatie omtrent de momentane brandtoestand van de lamp en de gewenste brandtoestand van de lamp kan ontvangen en kan doorgeven aan de besturingseenheid.

9. Voorschakelapparaat volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de besturingseenheid (54) is ingericht om de ingangsspanning (LL) , de gemiddelde ingangsstroom van de brugomvormer te meten.

10. Voorschakelapparaat volgens conclusie 8 of 9, met het kenmerk, dat de besturingseenheid (54) is voorzien van een geheugen, waarin gegevens over de levensloop van een lamp zijn opgeslagen.

11. Voorschakelapparaat volgens conclusies 4 en 9, met het kenmerk, dat de besturingseenheid is ingericht om uitgaande van de door lampspanningsdetector (10) gemeten lampspanning, de ingangsstroom en de ingangsspanning (ÏL·) van de omvormer de optimale frequentie van de uitgangsspan-ning (U^) te bepalen.

12. Voorschakelapparaat volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de besturingseenheid is ingericht om op basis van de gemeten lampspanning, de ingangsstroom en de uitgangsspanning van de omvormer het lampvermogen (P-lamp) te berekenen, en vervolgens, indien na het ontsteken van de lamp de lampspanning de bij het vermogen behorende, met de optimale werktemperatuur overeenstemmende waarde heeft verkregen, de lampspanning constant te houden middels besturing van een ventilator, die de lamp kan koelen.

13. Voorschakelapparaat volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de ventilator zodanig wordt bestuurd dat de verhouding lampspanning/lampstroom in hoofdzaak constant blijft.

14. Voorschakelapparaat volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de besturingseenheid van de omvormer tijdens het opwarmen van de lampen op grond van gemeten waarde van ingangsgelijkspanning, ingangsgelijkstroom en uitgangslampspanning, de aanstuurfrequentie van de vermogensschakelelementen zodanig regelt, dat de maximaal toelaatbare lampstroom niet wordt overschreden.

15. Voorschakelapparaat volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de frequentie van de brugomvormer zodanig wordt geregeld, dat de lampstroom tijdens het opwarmen een voorafbepaalde nominale waarde heeft.

16. Voorschakelapparaat volgens een der conclusies 8 t/m 15, met het kenmerk, dat de besturingseenheid is ingericht om de gemeten lichtintensiteit van de lamp te vergelijken met de gewenste lichtintensiteit van de lamp en bij afwijking de gemiddelde aanstuurfrequentie van de vermogensschakelelementen zodanig te wijzigen dat de gewenste lichtintensiteit wordt bereikt.

17. Voorschakelapparaat volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de besturingseenheid is voorzien van een modulator, die de aanstuurfrequentie van de vermogensschakelelementen kan moduleren.

18. Voorschakelapparaat volgens conclusie 17, met het kenmerk, dat de modulator een spanningsbestuurde oscillator (57) omvat, waarvan het stuursignaal door de besturingseenheid in amplitude gemoduleerd kan worden en waarvan de uitgangssignalen aan de stuurschakeling (25) worden toegevoerd.

19. Voorschakelapparaat volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat de besturingseenheid is voorzien van een modulator, die de arbeidscyclus van het bestaringssignaal voor de vermogensschakelelementen kan moduleren.

20. Voorschakelapparaat volgens een der voorafgaande conclusies met het kenmerk, dat zowel arbeidscyclus als frequentie van het besturingssignaal worden gemoduleerd.

21. Voorschakelapparaat volgens conclusie 19 of 20, waarbij de ingangsgelijkspanning voor de brugomvormer wordt verkregen uit een wisselspanningsbron, door de wisselspanning dubbelfasig gelijk te richten en af te vlakken, met het kenmerk, dat de modulatie als gevolg van duty-cycle en/of frequentiemodulatie van het besturingssignaal van de brugomvormer synchroon plaats vindt met de dubbele frequentie van de wisselspanningsbron, waarbij de fase van de modulatie zodanig is gekozen, dat de omvormer rond de positieve en negatieve toppen van de ingangswisselspan-ningde grootste stroom opneemt, en rond de nuldoorgangen van de ingangswisselspanning de kleinste stroom.

22. Voorschakelapparaat volgens conclusie 21, met het kenmerk, dat voor de bepaling van de juiste fase van genoemde modulatie, de wisselspanningscomponent van de ingangsgelijkspanning van de brugomvormer als referentie-signaal wordt gebruikt.

23. Voorschakelapparaat volgens een der conclusies 12 t/m 22, met het kenmerk, dat de besturingseenheid is ingericht om, als de verhouding tussen het door de besturingseenheid berekend lampvermogen en de lichtintensiteit een bepaalde waarde overschrijdt, een signaal te verschaffen, dat aangeeft dat de lamp vervangen dient te worden.