DE10036950A1

DE10036950A1 - Betriebsgerät für Entladungslampen mit Schalterentlastung beim Vorheizen der Elektrodenwendeln

Info

Publication number: DE10036950A1
Application number: DE10036950A
Authority: DE
Inventors: Markus Heckmann
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2000-07-28
Filing date: 2000-07-28
Publication date: 2002-02-07
Also published as: AU5769301A; CN1345174A; KR20020010549A; CN100484359C; CA2354192A1; AU779225B2; EP1176851B1; KR100813708B1; ATE247892T1; EP1176851A1; DE50100512D1; US6483256B2; US20020047617A1; TW508978B

Abstract

Zum Heizen der Wendeln von Entladungslampen wird in den dazugehörigen Betriebsgeräten oft ein Heiztransformator (L11, L12, L13) eingesetzt. Insbesondere beim Vorheizen der Wendeln fehlt dann ein genügend hoher induktiver Anteil im Laststrom, um bei Betriebsgeräten mit Halbbrückenschaltung eine Einschaltentlastung der Halbbrückenschalter (S1, S2) zu gewährleisten. Durch Einfügen eines Luftspalts in den Heiztransformator (L11, L12, L13) kann die Schalterentlastung auch beim Vorheizen oder bei niedriger Dimmstellung bewerkstelligt werden.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einem Betriebsgerät für Entladungslampen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um eine Schaltung, bei der die Möglichkeiten zur Heizung von Elektrodenwendeln (W1, W2) verbessert sind.

Stand der Technik

Bekannt ist, dass Gasentladungslampen eine höhere Lebensdauer erreichen, wenn ihre Elektroden vor der Zündung aufgeheizt werden. Üblich ist dafür der Begriff Vorheizung. In der Regel sind dafür die Elektroden als Wendeln ausgeführt, die zum Zwecke der Vorheizung mit einem Vorheizstrom beaufschlagt werden. Auch wäh rend dem Betrieb der Lampe kann ein Heizstrom durch die Wendeln erwünscht sein, um eine Bestimmte Wendeltemperatur aufrecht zu erhalten. Dies ist insbesondere beim Dimmen einer Lampe der Fall.

In der Schrift EP 0707438 wird eine Schaltung zum Heizen der Wendeln offenbart, die unabhängig vom Betrieb der Gasentladung erscheint. Dazu wird parallel zu ei nem der beiden Halbbrückenschalter die Pimärwicklung (L11) eines Heiztransforma tors (L11, L12, L13) geschaltet. In Serie dazu ist ein Koppelkondensator (CB1) ge schaltet um im wesentlichen den Gleichanteil der von der Halbbrücke gelieferten Wechselspannung aufzunehmen. Des weiteren kann in Serie zur Primärwicklung auch ein elektronischer Schalter (S3) vorhanden sein, mit dem die Heizung der Wen deln ein- und ausgeschaltet werden kann, oder mittels eines Pulsbetriebs, die Stärke der Heizung eingestellt werden kann. Der Heiztransformator (L11, L12, L13) besitzt mehrere Sekundärwicklungen (L12, L13), die den Heizstrom für die Wendeln (W1, W2) liefern. Manche Betriebsgeräte besitzen Wendelüberwachungsschaltungen, die mit einem im Vergleich zum Lampenstrom kleinem Gleichstrom arbeiten. Um die Funktion dieser Schaltungen nicht zu beeinträchtigen, muss der Gleichstromfluss durch die Sekundärwicklungen in mindestens einer Richtung verhindert werden. Dies kann durch die Serienschaltung eines Kondensators oder einer Diode zur jewei ligen Sekundärwicklung erreicht werden. Wird nur eine Lampe betrieben, so ist in der Regel für jede Wendel eine Sekundärwicklung (L12, L13) vorhanden. In Aus nahmefällen kann auch die Heizung von nur einer Wendel gewünscht sein. Beim Betrieb von mehreren in Serie geschalteten Lampen genügt für die miteinander ver bundenen Wendeln eine gemeinsame Sekundärwicklung. Die Möglichkeit der freien Wahl des Heizstromes für die Wendeln durch entsprechende Dimensionierung des Heiztransformators und/oder Pulsbetrieb ist jedoch, wie im folgenden erläutert, ein geschränkt.

Ein elektronisches Betriebsgerät enthält in der Regel einen, mit Hilfe von elektroni schen Schaltern aufgebauten Generator, der im Vergleich zur Netzspannungsfre quenz hochfrequente Spannung abgibt. Über geeignete Reaktanzzweitore wird damit die Energie zum Betrieb von Lampen bereitgestellt. Die hohe Betriebsfrequenz be dingt eine hohe Schalthäufigkeit der elektronischen Schalter wodurch, es wichtig wird, dass der einzelne Schaltvorgang eines elektronischen Schalters möglichst ver lustarm abläuft. Aus der Literatur sind etliche Schaltungstopologien bekannt, die ein resonantes bzw. quasiresonantes Schalten ermöglichen und damit die Schaltungsver luste; gering halten. Für den Bereich der elektronischen Betriebsgeräte für Lampen hat sich die Halbbrücke als Standardtopologie etabliert. Dabei handelt es sich um eine, zwischen einem Zwischenkreispotenzial (P) und einem Bezugspotenzial (E) einer Betriebsspannung (DC) anliegende Serienschaltung von zwei elektronischen Schaltern (S1, S2). Die Verbindungsstelle (M) der Schalter wird durch abwechseln des Schließen und Öffnen der Schalter abwechselnd mit dem Zwischenkreispotenzial (P) und dem Bezugspotenzial (E) verbunden. Soll nun ein Schalter durch einen Ein schaltvorgang einen Potenzialwechsel der Verbindungsstelle (M) bewirken, so liegt am Schalter zunächst eine hohe Spannung an, die im Laufe des Schaltvorgangs auf einen niedrigen Wert absinkt. Da der Schalter gleich zu Beginn des Schaltvorgangs Strom tragen muss, ergeben sich hohe Schaltverluste. Es ist deshalb danach zu trach ten, dass ein Schalter nur dann eingeschaltet wird, wenn an ihm nur eine kleine Spannung anliegt. Die Halbbrücke bietet nun die Möglichkeit eines derartigen ZVS (Zero-Voltage-Switching). Werden bestimmte Voraussetzungen erfüllt, so wechselt das Potenzial der Verbindungsstelle (M) selbsttätig (quasiresonant) beim Öffnen ei nes Schalters vom einen Potenzial der Betriebsspannung (DC) zum anderen, ohne dass der andere Schalter geschlossen werden muss. Nach dem selbsttätigen Potenzi alwechsel kann der andere Schalter nahezu verlustfrei eingeschaltet werden. Um den selbsttätigen Potenzialwechsel nicht zu schnell ablaufen zu lassen wird häufig paral lel zu mindestens einem der beiden Schalter ein Entlastungskondensator (CT) ge schaltet. Damit werden die Verluste des öffnenden Schalters verringert und die durch den Schaltvorgang erzeugten Störungen reduziert.

Es muss also versucht werden, Bedingungen zu schaffen, die einen selbsttätigen Po tenzialwechsel der Verbindungsstelle (M) beim öffnen eines Schalters der Halbbrü cke bewirken. Eine notwendige Bedingung dafür besteht darin, dass die von der Halbbrücke gespeiste Last induktives Verhalten zeigen muss. Das Reaktanzzweitor (Z) zum ankoppeln der Lampen an die Halbbrücke enthält in der Regel eine Lam pendrossel (L2). Im Normalbetrieb der Lampe kann damit leicht eine Betriebsfre quenz eingestellt werden, bei der die Last der Halbbrücke induktiv wirkt. Wird je doch zum Vorheizen der Wendeln (W1, W2) der oben beschriebene Heiztransforma tor (L11, L12, L13) verwendet und befinden sich die Lampen in der Vorheizphase, so ist der Beitrag der Lampendrossel (L2) zur Lastimpedanz zu schwach, um eine Entlastung der Halbbrückenschalter (S1, S2) sicher zu gewährleisten. Um diesem Effekt entgegenzuwirken kann die Induktivität der Lampendrossel (L2) angepasst werden. Dies ist jedoch selten möglich, da die Lampendrossel (L2) für den Normal betrieb optimiert werden muss. Um die Induktivität der Lastimpedanz zu erhöhen, ist es auch möglich die Kapazität des Entlastungskondensators (CT) zu reduzieren. Dies bringt jedoch folgende Nachteile mit sich: Die Ausschaltverluste der Halbbrücken schalter (S1, S2) werden erhöht, die Funkstörungen, die das Betriebsgerät erzeugt, werden stärker und die Möglichkeiten aus dem Strom durch den Entlastungskonden sator (CT) eine Energieversorgung für Hilfsschaltungen aufzubauen wird einge schränkt.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betriebsgerät gemäß dem Oberbeg riff des Anspruchs 1 bereitzustellen, das auch im Vorheizbetrieb ein nahezu span nungsloses Einschalten der Halbbrückenschalter (S1, S2) gewährleistet.

Diese Aufgabe wird bei einem Betriebsgerät mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen An sprüchen.

Die Lampen werden an die von der Halbbrücke am Mittelpunktspotenzial (M) gelie ferte Wechselspannung über ein Reaktanznetzwerk angeschlossen. Dieses besteht meist aus einem Serienresonanzkreis bestehend aus der Lampendrossel (L2) und einem Resonanzkondensator (CR). In Serie geschaltet zu den Lampen ist ein Kop pelkondensator (CB2) nötig, der den Gleichspannungsanteil der von der Halbbrücke gelieferten Wechselspannung aufnimmt. Dieser Koppelkondensator (CB2) kann auch doppelt ausgeführt sein, wobei dann einer mit dem Zwischenkreispotenzial (P) und einer mit dem Bezugspotenzial (E) verbunden ist. Zum Zünden ist die Schaltfrequenz der Halbbrücke nahe der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises (L2, CR).

Beim Vorheizen sind die Lampen nicht gezündet, d. h. es fließt kein Lampenstrom. Während der Vorheizung darf die Lampenspannung nicht hoch sein, um eine vorzei tige Gasentladung in der Lampe zu vermeiden. Deshalb ist auch der Strom durch den Serienresonanzkreis gering. Der Laststrom wird demnach beim Vorheizen wesentlich durch den Strom in der Pimärwicklung des Heiztransformators (L11, L12, L13) be einflusst. Die Last muss im Abschaltmoment eines Halbbrückenschalters (T1, T2) bedingt durch ihren induktiven Charakter genügend Energie gespeichert haben, um einen Potenzialwechsel der Verbindungsstelle (M) zu bewirken. Üblicherweise ver sucht man Eigenschaften eines Transformators zu erzielen, die denen eines idealen Transformators möglichst nahe kommen. Deshalb haben die bekannten Heiztrans formatoren keinen Luftspalt. Zumindest wird versucht den Herstellungsbedingten Luftspalt so klein wie möglich zu halten. Erfindungsgemäß wird nun bewusst ein Luftspalt in den Heiztransformator (L11, L12, L13) eingefügt. Damit kann der Heiz transformator (L11, L12, L13) Energie speichern. Diese Energie bewirkt beim Aus schalten eines Halbbrückenschalters einen Potenzialwechsel der Verbindungsstelle (M) und damit ein nahezu spannungsloses, verlustarmes Einschalten der Halbbrü ckenschalter (S1, S2).

Die Breite eines herstellungsbedingten Luftspalts in einem Transformator, der keinen Luftspalt enthalten soll, liegt deutlich unter 0,1 mm. Ein Luftspalt, der eine erfin dungsgemäße Wirkung in üblichen Betriebsgeräten zeigen soll, muss eine Breite von mindestens 0,1 mm aufweisen. Eine Unterscheidung zwischen einem erfindungsge mäßen und einem nicht erfindungsgemäßen Luftspalt ist daher leicht möglich.

In Serie zur Primärwicklung des Heiztransformators (L11, L12, L13) ist meist ein Koppelkondensator (CB1) geschaltet. Er dient zunächst zum Auskoppeln des Gleich spannungsanteils der von der Halbbrücke erzeugten Wechselspannung. Bei entspre chender Dimensionierung kann er aber auch zur Bestimmung der Stärke des Heiz stroms benutzt werden. In Serie zur Primärwicklung des Heiztransformators (L11, L12, L13) kann auch ein Schalter (S3) liegen. Dieser kann entweder die Heizung der Wendeln (W1, W2) ein- und ausschalten oder im Pulsbetrieb den Heizstrom regeln.

Die Problematik des spannungslosen Einschaltens der Halbbrückenschalter trifft äquivalent auch für Schalter zu, die in einer Vollbrückenanordnung verschaltet sind. Jeweils eine Hälfte der Vollbrücke kann als Halbbrücke aufgefasst werden, für die obige Ausführungen zutreffen.

Beschreibung der Zeichnung

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigt eine Schaltung, bei der der Heiztransformator (L11, L12, L13) erfin dungsgemäß mit einem Luftspalt versehen ist.

Eine Betriebsspannungsquelle (DC) liefert zwischen einem Zwischenkreispotenzial (P) und einem Bezugspotenzial (E) eine Gleichspannung an die Schaltung in der Fi gur. An diese Gleichspannungsquelle (DC) ist die Halbbrücke geschaltet, die aus der Serienschaltung zweier Schalter gebildet wird (S1, S2). Am Verbindungspunkt (M) der Schalter erzeugt die Halbbrücke eine im Vergleich zur Netzspannungsfrequenz hochfrequente Wechselspannung. Parallel zu jedem Schalter ist eine Freilaufdiode (D1, D2) geschaltet. Parallel zum oberen Schalter (S1) liegt ein Entlastungskonden sator (CT). Gleichwirkend könnte der Entlastungskondensator (CT) auch parallel zum unteren Schalter (S2) geschaltet sein. Parallel zum unteren Schalter (S2) liegt der Primärkreis der Wendelheizschaltung. Er wird gebildet aus der Serienschaltung eines ersten Koppelkondensators (CB1) mit einem Schalter (S3) und der Primärwick lung (L11) des Heiztransformators (L11, L12, L13). Gleichwirkend könnte der Pri märkreis der Wendel auch parallel zum oberen Schalter (S1) geschaltet sein. An der Verbindungsstelle (M) der Halbbrückenschalter (S1, S2) ist die Lampendrossel (L2) angeschlossen. Mit dem anderen Ende der Lampendrossel ist ein erster Lampenan schluss (A1) verbunden. Damit ist auch ein Anschluss des Resonanzkondensators (CR) verbunden. Der andere Anschluss des Resonanzkondensators (CR) ist mit ei nem Bezugspotenzial (E) der Betriebsspannung (DC) verbunden. Ein zweiter An schluss der Lampe (A2) ist über einen zweiten Koppelkondensator (CB2) auch mit dem Bezugspotenzial (E) verbunden. Anstatt am Bezugspotenzial (E) kann der Re sonanzkondensator (CR) gleichwirkend auch am zweiten Lampenanschluss (A2) angeschlossen sein. Zwischen dem ersten (A1) und einem dritten Lampenanschluss (A3) liegt die erste Wendel (W1) der Lampe (Lp). Parallel dazu ist eine erste Sekun därwicklung (L12) des Heiztransformators (L11, L12, L13) geschaltet. Zwischen dem zweiten (A2) und einem vierten Lampenanschluss (A4) liegt die zweite Wendel (W2) der Lampe (Lp). Parallel dazu ist eine zweite Sekundärwicklung (L13) des Heiztransformators (L11, L12, L13) geschaltet. In der Figur ist eine Schaltung mit nur einer Lampe (Lp) ausgeführt. Die Schaltung kann jedoch auch für mehrere in Serie geschaltete Lampen verwendet werden. Entsprechend den dann zu beheizenden Wendeln muss der Heiztransformator (L11, L12, L13) um weitere Sekundärwicklun gen ergänzt werden.

Claims

1. Elektronisches Vorschaltgerät für Gasentladungslampen mit beheizba ren Wendeln, das folgende Merkmale aufweist:
eine Gleichspannungsversorgung (DC) zwischen einem Zwischenkreispotenzial (P) und einem Bezugspotenzial (E),
zwei in Serie geschaltete elektronische Schalter (S1, S2), die eine Halbbrücke mit Mittelpunktspotenzial (M) bilden, wobei einer der Schalter (S1) mit dem Zwischen kreispotenzial (P) und der andere (S2) mit dem Bezugspotenzial (E) verbunden ist und die Schalter (S1, S2) abwechselnd ein und ausschalten, damit am Mittelpunktspo tenzial (M) eine Wechselspannung entsteht,
ein Heiztransformator (L11, L12, L13) mit Kern, der sekundärseitig (L12, L13) Energie an die Wendeln (W1, W2) abgibt und primärseitig (L11) seine Energie aus der von der Halbbrücke erzeugten Wechselspannung bezieht dadurch gekennzeichnet, dass der Kern des Heiztransformators einen, bezüglich der elektrischen Daten des Heiztransformators (L11, L12, L13) wirksamen Luftspalt aufweist.

2. Betriebsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt mindestens 0,1 mm Breite hat.

3. Betriebsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu mindestens einem Halbbrückenschalter (S1, S2) ein Entlastungskondensator (CT) geschaltet ist.

4. Betriebsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampen über einen Serienschwingkreis bestehend aus einer Lampendrossel (L2) und einem Resonanzkondensator (CR) an die Halbbrücke angeschlossen sind, wobei die Lampen parallel zum Resonanzkondensator (CR) liegen und dass der Strom durch die Lampen durch mindestens einen Koppelkondensator (CB2) fließen muss.

5. Betriebsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heiztransformator (L11, L12, L13) mindestens eine Lampenwendel (W1, W2) durch Parallelschaltung einer Sekundärwicklung (L12, L13) mit Heizstrom versorgt.

6. Betriebsgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Serie zu mindestens einer Sekundärwicklung (L12, L13) ein elektrisches Bauteil geschaltet ist, das den Fluss eines elektrischen Gleichstroms durch die betreffende Sekundär wicklung in mindestens einer Richtung verhindert.

7. Betriebsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pri märwicklung (L11) des Heiztransformators (L11, L12, L13) in einem Primärkreis verschaltet ist, der parallel zu einem der beiden Halbbrückenschalter (S1, S2) liegt.

8. Betriebsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Pri märkreis aus der Serienschaltung der Primärwicklung (L11), einem weiteren Kop pelkondensator (CB1) und einem weiteren elektronischen Schalter (S3) besteht.

9. Betriebsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücke um zwei weitere elektronische Schalter zur Vollbrücke erweitert ist.