DE102004031445A1

DE102004031445A1 - Schaltungsanordnung und Betriebsgerät zum Betrieb von Lampen

Info

Publication number: DE102004031445A1
Application number: DE102004031445A
Authority: DE
Inventors: Rene Twardzik
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2006-01-26
Also published as: FR2872377A1; FR2872377B1; CA2510350A1; GB2415842B; US7061190B2; US20050285545A1; GB0510903D0; GB2415842A

Abstract

Die Erfindung betrifft Schaltungsanordnungen zum Betrieb von Lampen sowie Betriebsgeräte, die derartige Schaltungsanordnungen enthalten. Eine erste Stufe einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung umfasst einen aus der Literatur bekannten SEPIC. Der SEPIC stellt eine Gleichspannung bereit, die ein Wechselrichter in eine hochfrequente Wechselspannung zum Lampenbetrieb wandelt. Erfindungsgemäß wirkt ein elektronischer Schalter (S1) sowohl im SEPIC als auch im Wechselrichter. Zwei Dioden (D1, D2), die in die Zuleitung des elektronischen Schalters (S1) geschaltet sind, verhindern eine gegenseitige Beeinflussung von SEPIC und Wechselrichter.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Schaltungsanordnungen zum Betrieb von Lampen, sowie Betriebsgeräte, die derartige Schaltungsanordnungen enthalten. Der Begriff Lampe umfasst in der vorliegenden Patentanmeldung Vorrichtungen, die geeignet sind, um aus elektrischer Energie elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 50 Nanometern und 50000 Nanometern zu erzeugen. Beispielsweise handelt es sich dabei um Glühlampen, Gasentladungslampen oder Leuchtdioden. Die vorliegende Erfindung bezweckt eine Kostenreduzierung durch Zusammenfassen von zwei Stufen einer in Rede stehenden Schaltungsanordnung.

Weit verbreitet sind Schaltungsanordnungen zum Betrieb von Lampen, die im wesentlichen aus zwei Stufen aufgebaut sind. Eine erste Stufe wird gespeist von einer gleichgerichteten Netzspannung und stellt für eine zweite Stufe eine Gleichspannung zur Verfügung, die in der Literatur Zwischenkreis-Spannung genannt wird. Eine Aufgabe der ersten Stufe ist es, der Netzspannung einen Netzstrom zu entnehmen der möglichst proportional zur Netzspannung verläuft.

Die zweite Stufe erzeugt aus der Zwischenkreis-Spannung eine Ausgangs-Wechselspannung, die eine Frequenz aufweist, die wesentlich höher ist als die Frequenz der Netzspannung. Die Ausgangs-Wechselspannung speist einen Lastkreis bei einem Lastkreiseingang. An den Lastkreis ist eine Lampe ankoppelbar. Der Lastkreis hat im wesentliche die Aufgabe die Ausgangs-Wechselspannung an die Anforderungen der Lampe anzupassen. Beispielsweise muss die Ausgangsimpedanz der zweiten Stufe oder die Amplitude der Ausgangs-Wechselspannung an die Lampe mittels eines Reaktanz-Netzwerks und/oder eines Transformators angepasst werden.

Für die erste Stufe ist z. B. aus der Schrift US 6 690 122 (Weirich) ein Wandler vom Typ SEPIC (Single Ended Primary Inductance Converter) bekannt. Beim SEPIC handelt es sich um einen Wandler, der nur einen ersten elektronischen Schalter enthält. Der SEPIC hat den Vorteil, dass er eine Zwischenkreis-Spannung bereitstellen kann deren Wert sowohl über, als auch unter dem Wert der Amplitude der Netzspannung einstellbar ist.

Für die zweite Stufe sind Wechselrichter mit einem oder mehreren elektronischen Schaltern bekannt. Verbreitet ist der sog. Halbbrücken-Wechselrichter, der zwei in Serie geschaltete elektronische Schalter enthält, an deren Verbindungsstelle die Ausgangs-Wechselspannung anliegt.

Weiterhin bekannt sind Wechselrichter für die zweite Stufe, die lediglich einen elektronischen Schalter enthalten, wie z. B. Fluß-, Sperr- oder Inverswandler.

Der zweistufige Aufbau der Schaltungsanordnung bedeutet einen hohen Aufwand bezüglich der Anzahl der elektronischen Schalter und der dafür nötigen Ansteuer-Vorrichtungen.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von Lampen bzw. ein Betriebsgerät mit einer derartigen Schaltungsanordnung bereitzustellen, das gegenüber einer zweistufigen Schaltungsanordnung einen reduzierten Aufwand aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von Lampen bzw. ein Betriebsgerät mit einer derartigen Schaltungsanordnung gelöst, die einen SEPIC enthält, wobei der erste elektronische Schalter des SEPIC auch als elektronischer Schalter für einen nachgeschalteten Wechselrichter wirkt. Dies erreicht eine erste und eine zweite Diode, die jeweils mit ihrer Kathode mit einem ersten Kontakt des ersten elektronischen Schalters verbunden sind. Die Anode der ersten Diode ist mit einem ersten Knoten verbunden, mit dem im Stand der Technik der erste elektronische Schalter verbunden ist. Die Anode der zweiten Diode ist mit einem Punkt im Wechselrichter verbunden mit dem im Stand der Technik ein massebezogener Schalter des Wechselrichters verbunden ist. Dieser Punkt ist im allgemeinen der Lastkreiseingang.

Durch die erste und die zweite Diode kann sowohl Strom vom SEPIC als auch vom Wechselrichter in den Schalter fließen. Es kann jedoch kein Strom vom SEPIC zum Wechselrichter oder umgekehrt fließen. Damit kann der erste elektronische Schalter eine Funktion sowohl im SEPIC als auch im Wechselrichter ausüben, ohne dass es zu einer gegenseitigen Beeinflussung von SEPIC und Wechselrichter kommt. Obwohl der erste elektronische Schalter sowohl im SEPIC als auch im Wechselrichter wirkt ist nur eine Ansteuer-Vorrichtung für den ersten elektronischen Schalter nötig.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem Halbbrückenwechselrichter,
2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem Single-Switch-Inverter (SSI).
Im folgenden werden, elektronische Schalter durch den Buchstaben S, Dioden durch den Buchstaben D, Kondensatoren durch den Buchstaben C, Drosseln durch den Buchstaben L und Knoten durch den Buchstaben N jeweils gefolgt von einer Zahl bezeichnet. Auch werden im folgenden für gleiche und gleichwirkende Elemente der verschiedenen Ausführungsbeispiele durchweg gleiche Bezugszeichen verwendet.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem Halbbrückenwechselrichter dargestellt.
Der folgende Abschnitt beschreibt die Topologie des in der Schaltungsanordnung enthaltenen SEPICs:
Ein Wandler vom Typ SEPIC, der in der Schaltungsanordnung enthalten ist weist einen Eingang E auf, der auf eine Masse bezogen ist und der mit einer gleichgerichteten Netzspannung verbindbar ist. Weiterhin weist der SEPIC eine Eingangsdrossel L11 auf, die einerseits mit dem Eingang gekoppelt ist und andererseits mit einem ersten Knoten N1 gekoppelt ist. Weiterhin weist der SEPIC einen ersten elektronischen Schalter S1 auf, der mit einem ersten Kontakt über eine Diode D1 mit dem ersten Knoten N1 und mit einem zweiten Kontakt mit der Masse gekoppelt ist. Weiterhin weist der SEPIC einen ersten Kondensator C1 auf, der zum einen mit dem ersten Knoten N1 und zum anderen mit einem zweiten Knoten N2 gekoppelt ist. Weiterhin weist der SEPIC eine dritte Diode D3 auf, die mit ihrer Anode mit dem zweiten Knoten N2 und mit ihrer Kathode mit einem Pluspotenzial + gekoppelt ist. Weiterhin weist der SEPIC eine zweite Drossel L12 auf, die zwischen den zweiten Knoten N2 und Masse geschaltet ist. Weiterhin weist der SEPIC einen zweiten Kondensator C2 auf, der zwischen das Pluspotenzial + und Masse geschaltet ist.
Die Drosseln L11 und L12 können gekoppelt sein, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet. Diese Kopplung bewirkt eine Ripple-Strom-Kompensation für einen Eingangsstrom. Dieser Effekt wird in der Literatur mehrfach diskutiert.
Ein Lastkreis mit einem Lastkreiseingang N3 besteht im wesentlichen aus der Serienschaltung einer dritten Drossel L3 und eines vierten Kondensators C4, die zwischen den Lastkreiseingang N3 und Masse geschaltet ist. Zwischen dem Verbindungspunkt von L3 und C4 und Masse ist die Serienschaltung einer Lampe Lp und eines fünften Kondensators C5 geschaltet. Die Serienschaltung von L3 und C4 bewirkt eine Anpassung einer Ausgangsimpedanz des Wechselrichters an die Lampe Lp. Damit wird der Lampe Lp ein Strom eingeprägt. C5 bewirkt, dass der Strom durch die Lampe Lp keinen Gleichstromanteil aufweist. Der dargestellte Lastkreis dient im Stand der Technik häufig zum Betrieb von Gasentladungslampen.
Erfindungsgemäß ist eine erste Diode D1, so zwischen den ersten Knoten N1 und den ersten Kontakt des ersten elektronischen Schalters S1 geschaltet, dass Strom von der Eingangsdrossel L11 zum ersten elektronischen Schalter S1 fließen kann. Weiterhin ist erfindungsgemäß eine zweite Diode D2, so zwischen den ersten Kontakt des ersten elektronischen Schalters S1 und den Lastkreiseingang N3 geschaltet, dass Strom vom Lastkreis zum ersten elektronischen Schalter S1 fließen kann.
Zwischen das Pluspotenzial + und den Lastkreiseingang N3 ist ein zweiter elektronischen Schalter S2 geschaltet ist. S2 bildet über D2 zusammen mit S1 einen Halbrücken-Wechselrichter.
Parallel zu S2 und zwischen dem Lastkreiseingang N3 und Masse ist jeweils eine allgemein bekannte Freilaufdiode D4, D5 geschaltet. Diese können entfallen, falls sie bereits den elektronischen Schaltern S1, S2 integriert sind, wie es bei MOSFETs der Fall ist.
Im Ausführungsbeispiel ist der Lastkreiseingang N3 mit einem Snubber-Kondensator C3 verbunden. Er dient zur Schaltentlastung der elektronischen Schalter S1, S2. Falls keine Schaltentlastung erforderlich ist, oder die parasitären Kapazitäten der elektronischen Schalter S1, S2 zur Schaltentlastung genügen, kann C3 entfallen. C3 kann entweder mit Masse, wie im Ausführungsbeispiel nach 1, oder mit dem Pluspotenzial + verbunden sein, wie es in 2 ausgeführt ist.
Die elektronischen Schalter S1 und S2 schließen und öffnen abwechselnd. Damit entsteht am Lastkreiseingang eine rechteckförmige Spannung. Zum Öffnen und Schließen benötigen die elektronischen Schalter eine Ansteuervorrichtung, die in den 1 und 2 nicht dargestellt ist. Über die Frequenz, mit der die Schalter öffnen und schließen, kann ein Lampenstrom eingestellt werden. Die Einschaltzeit der beiden Schalter sollte beim Betreib von Gasentladungslampen im wesentlichen gleich sein, damit Elektrophorese-Effekte vermieden werden.
Zusammenfassend sei die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels nach 1 wie folgt erläutert: Die Schaltungsanordnung enthält eine erste Stufe, die als SEPIC realisiert ist. Der elektronische Schalter S1 fungiert als Schalter für den SEPIC. Der SEPIC wird von einer gleichgerichteten Netzspannung gespeist und stellt an C2 eine Gleichspannung zur Verfügung. Ein Halbbrücken-Wechselrichter bestehend aus S1 und S2 wandelt diese Gleichspannung in eine rechteckförmige Spannung um und stellt sie einem Lastkreis zur Verfügung.
Erfindungsgemäß wirkt S1 sowohl als Schalter für den SEPIC als auch für den Halbbrücken-Wechselrichter. Um eine gegenseitige Beeinflussung von SEPIC und Halbbrücke zu vermeiden, ist die erfindungsgemäße Diode D1 zwischen S1 und den SEPIC und die erfindungsgemäße Diode D2 zwischen S1 und den Halbbrücken-Wechselrichter geschaltet.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem Single-Switch-Inverter (SSI) dargestellt. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel aus 1 gibt es folgende Unterschiede:
Die Freilaufdioden D4 und D5 sowie der elektronische Schalter S2 entfallen. Der Snubber-Kondensator C3 ist mit dem Pluspotenzial + verbunden. Zwischen dem Pluspotenzial + und dem Lastkreiseingang N3 ist eine vierte Drossel L4 geschaltet.
In 2 liegt keine Halbbrückenanordnung vor, sondern S1 bildet zusammen mit L4 einen Single-Switch-Inverter. Nach dem Öffnen von S1 steigt die Spannung an S1 an. Fällt sie vor dem erneuten schließen von S1 durch eine resonante Dimensionierung der Schaltungsanordnung auf Null ab, so kann S1 zusammen mit L4 als Klasse E Wandlerzelle aufgefasst werden. Zur resonanten Dimensionierung ist insbesondere der Wert von L3 und C3 so zu wählen, dass die oben genannte Bedingung für die Spannung an S1 eingehalten wird. Klasse E Wandlerzellen sind aus der Literatur als verlustarme Wandler bekannt.
Wie in 1 ermöglichen die erfindungsgemäßen Dioden D1 und D2 die Doppelfunktion von S1. Zum einen wirkt er als Schalter im SEPIC zum anderen im SSI.
Durch die Zeitdauer in der S1 eingeschaltet ist im Verhältnis zur Zeitdauer in der S1 ausgeschaltet ist ist ein Tastverhältnis definiert. Durch das Tastverhältnis kann sowohl die Zwischenkreis-Spannung als auch der Strom durch eine angeschlossene Lampe eingestellt werden. Vorteilhaft kann eine Zwischenkreis-Spannung sowohl über als auch unter dem Spitzenwert der angeschlossenen Netzspannung gewählt werden. Eine Regelung des Lampenstroms ist möglich indem die Zeitdauer, in der S1 eingeschaltet ist, vom Strom durch die angeschlossene Lampe abhängt.

Claims

Schaltungsanordnung zum Betrieb von Lampen mit folgenden Merkmalen: • ein Wandler vom Typ SEPIC mit – einem Eingang (E), der auf eine Masse bezogen ist und der mit einer gleichgerichteten Netzspannung verbindbar ist, – einer Eingangsdrossel (L11), die einerseits mit dem Eingang gekoppelt ist und andererseits mit einem ersten Knoten (N1) gekoppelt ist, – einem ersten elektronischen Schalter (S1), der einen ersten und einen zweiten Kontakt aufweist, wobei der zweite Kontakt mit der Masse gekoppelt ist, • ein Lastkreis, an den Lampen ankoppelbar sind, mit einem Lastkreiseingang (N3), dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung folgende Merkmale umfasst: • eine erste Diode (D1), die so zwischen den ersten Knoten (N1) und den ersten Kontakt des ersten elektronischen Schalters (S1) geschaltet ist, dass Strom von der Eingangsdrossel (L11) zum ersten elektronischen Schalter (S1) fließen kann, • eine zweite Diode (D2), die so zwischen den ersten Kontakt des ersten elektronischen Schalters (S1) und den Lastkreiseingang (N3) geschaltet ist, dass Strom vom Lastkreis zum ersten elektronischen Schalter (S1) fließen kann.
Schaltungsanordnung zum Betrieb von Lampen gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: • ein erster Kondensator (C1) ist zum einen mit dem ersten Knoten (N1) und zum anderen mit einem zweiten Knoten (N2) gekoppelt, • eine dritte Diode (D3) ist mit ihrer Anode mit dem zweiten Knoten (N2) und mit ihrer Kathode mit einem Pluspotenzial (+) gekoppelt, • eine zweite Drossel (L2) ist zwischen den zweiten Knoten (N2) und Masse geschaltet, • ein zweiter Kondensator (C2) ist zwischen das Pluspotenzial (+) und Masse geschaltet.
Schaltungsanordnung zum Betrieb von Lampen gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen das Pluspotenzial (+) und den Lastkreiseingang (N3) ein zweiter elektronischen Schalter (S2) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung zum Betrieb von Lampen gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite elektronische Schalter (S1, S2) abwechselnd ein- und ausgeschalten und eine Einschaltzeit der beiden Schalter im wesentlichen gleich ist.
Schaltungsanordnung zum Betrieb von Lampen gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen das Pluspotenzial (+) und den Lastkreiseingang (N3) eine vierte Drossel (L4) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung zum Betrieb von Lampen gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen das Pluspotenzial (+) und den Lastkreiseingang (N3) ein dritter Kondensator (C3) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung zum Betrieb von Lampen gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das die Zeitdauer, in der der erste elektronische Schalter eingeschaltet ist, vom Strom durch eine angeschlossene Lampe abhängt.
Schaltungsanordnung zum Betrieb von Lampen gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastkreis mindestens eine dritte Drossel (L3) enthält.
Betriebsgerät für Lampen, das eine Schaltungsanordnung nach einem der vorigen Ansprüche enthält.