DE10204433A1

DE10204433A1 - Gleichspannungskonverter für ein Leuchtenbetriebsgerät

Info

Publication number: DE10204433A1
Application number: DE2002104433
Authority: DE
Inventors: Marco Seibt
Original assignee: Tridonicatco GmbH and Co KG
Current assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Priority date: 2002-02-04
Filing date: 2002-02-04
Publication date: 2003-08-07

Abstract

Ein Gleichspannungskonverter bspw. ein elektronisches Vorschaltgerät für Gasentladungslampen wird mit einer gleichgerichteten Netzspannung versorgt und erzeugt eine umgesetzte geregelte Gleichspannung. Der Gleichspannungskonverter 1 weist dabei einen HF-Wechselrichter 4 und einen Serienresonanzkreis 5 auf. Der Serienresonanzkreis 5 wird auf den Wechselrichter 4 im Wesentlichen im Bereich seiner Resonanzfrequenz mit im Wesentlichen konstanter Frequenz angesteuert. Ein Ausgangs-Gleichrichter 6 erzeugt eine geregelte gleichgerichtete Ausgangsspannung U¶DCout¶. Die Regelung der Ausgangsspannung erfolgt dabei durch eine Rückführung von dieser auf eine Steuereinheit 10, die die Schalter 13, 14 des Halb-Wechselrichters 4 ansteuert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspannungskonverter zur Verwendung in einem Betriebsgerät für Lampen sowie auf ein elektronisches Vorschaltgerät zum Betrieb einer Lampe, insbesondere einer Gasentladungslampe.
Als Gleichspannungsquelle für ein elektronisches Vorschaltgerät bspw. für eine Gasentladungslampe ist normalerweise ein an die Netzspannung angeschlossener Gleichrichter vorgesehen. Die durch den Gleichrichter erzeugte Gleichspannung wird dann einem Gleichspannungskonverter zugeführt, der als sogenannter PFC- Zwischenkreis (PFC = Power Factor Correction) die Aufgabe hat, gegenüber dem Netz als quasi-ohmsche Last zu erscheinen und gegebenenfalls gleichzeitig die Gleichspannung auf einen gewünschten Pegel umzusetzen. Der Gleichspannungskonverter soll die Belastung des Stromnetzes durch Oberwellenströme reduzieren, die bspw. durch eine pulsförmige Stromentnahme von Schaltnetzteilen anderenfalls entstehen kann.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Typen von Gleichspannungskonvertern bekannt, die bspw. in dem Buch von U. Tietze und Ch. Schenk "Halbleiterschaltungstechnik", Springer-Verlag 1991, neunte Auflage, Seiten 561-586 beschrieben sind. Gleichspannungskonvertern gemäß dem Stand der Technik ist üblicherweise gemeinsam, dass sie mindestens einen getakteten Schalter und mindestens zwei Speicherelemente enthalten. Für elektronische Vorschaltgeräte wird gemäß dem Stand der Technik meistens ein Aufwärts-Konverter Typ verwendet, der - vom Eingang zum Ausgang gesehen - aus einer Ladedrossel in einem ersten Längszweig, einem getakteten Schalter in einem ersten Querzweig, einer Diode in einem zweiten Längszweig und einem Speicherkondensator in einem zweiten Querzweig besteht.

Ein elektronisches Vorschaltgerät für eine Gasentladungslampe aufweisend einen derartigen Gleichspannungskonverter ist bspw. auch aus der US 5,705,897 bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen neuartigen Gleichspannungskonverter vorzuschlagen, der sich zur Verwendung in Betriebsgeräten für Gasentladungslampen eignet. Dabei soll unter anderem auch die Möglichkeit geschaffen werden, dass eine Regelung des Leistungsfakors (englisch "Power Factors"), also des Kosinus des Phasenwinkels zwischen Spannung und Strom, entbehrlich wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.

Gemäß der Erfindung ist also ein Gleichspannungskonverter zur Verwendung in einem Betriebsgerät für Leuchten vorgesehen, wobei der Gleichspannungskonverter wie bekannt mit einer gleich gerichteten und oberwellen-gefilterten Netzspannung versorgt wird und eine geregelte Gleichspannung erzeugt. Gemäß der Erfindung weist der Gleichspannungskonverter einen Wechselrichter sowie einen Serienresonanzkreis auf, der durch den Wechselrichter im Bereich seiner Resonanzfrequenz mit im Wesentlichen konstanter Frequenz angesteuert ist. Weiterhin ist ein Gleichrichter für die am Serienresonanzkreis anliegende Wechselspannung zur Erzeugung einer gleichgerichteten Ausgangsspannung vorgesehen.

Weiterhin kann eine Steuerschaltung für den Wechselrichter vorgesehen sein, der die gleichgerichtete Ausgangsspannung sowie eine Referenzspannung zugeführt werden. Die Steuerschaltung steuert das Tastverhältnis des Wechselrichters zur Regelung der gleichgerichteten Ausgangsspannung auf die Referenzspannung. Diese Referenzspannung kann im Übrigen einstellbar sein, um unterschiedliche Zwischenkreisspannungen in dem elektronischen Vorschaltgerät durch Vorgabe entsprechender Referenzspannungen bereitstellen zu können.

Weiterhin kann ein Parallelresonanzkreis zur Impedanzanpassung zwischen dem Serienresonanzkreis und dem Gleichrichter geschaltet sein.

Der Wechselrichter kann zwei Schalter aufweisen, an deren Verbindungspukt (Mittenpunkt) der Serienresonanzkreis angeschlossen ist.

Der Wechselrichter kann mit einer Frequenz in dem Bereich zwischen 100 kHz und 1 MHz, insbesondere in dem Bereich zwischen 200 und 600 kHz betrieben werden.

Zumindest die dem Serienresonanzkreis bildenden Bauteile können als gedruckte Schaltungen realisiert sein.

Die Ausgangsspannung kann vor dem Gleichrichter induktiv ausgekoppelt sein. Die induktive Auskopplung kann dabei mittels eines Übertragers hoher Impedanz erfolgen, der parallel zu der Kapazität des Serienresonanzkreises geschaltet ist. Alternativ oder zusätzlich kann die induktive Auskopplung mittels einer mit der Induktivität des Serienresonanzkreises induktiv gekoppelten Spule erfolgen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist schließlich auch ein elektronisches Vorschaltgerät zum Betrieb einer Lampe, insbesondere einer Gasentladungslampe vorgesehen, das einen Gleichspannungskonverter der oben genannten Art aufweist.

Bezugnehmend auf die folgende detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren der begleitenden Zeichnungen sollen nunmehr weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung für den Fachmann erläutert werden.
Fig. 1 zeigt eine allgemeine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Gleichspannungskonverters,
Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 3 zeigt einen Gleichspannungskonverter gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bezugnehmend auf Fig. 1 sollen nunmehr zuerst die grundlegenden Bestandteile eines erfindungsgemäßen Gleichspannungskonverters 1 erläutert werden. Ein derartiger Gleichspannungskonverter 1 kann bspw. bei elektronischen Vorschaltgeräten (EVGs) in der Beleuchtungstechnik verwendet werden.
Insbesondere die auf den Gleichspannungskonverter 1 folgenden Bauteile eines solchen EVGs sollen nur kurz angesprochen werden, da sie aus dem Stand der Technik gut bekannt sind. In der Beleuchtungstechnik werden insbesondere bei Niederdrucklampen eine vom EVG erzeugte hochfrequente Wechselspannung direkt an die Lampe gelegt. Die Erzeugung der Hochfrequenz wird mit einem DC/AC-Wandler realisiert, welcher aus einer Zwischenkreisspannung (die eben von einem Gleichspannungskonverter bereitgestellt wird) eine höherfrequente Wechselspannung erzeugt. Die Funktion der Strombegrenzung erfolgt vergleichbar einem konventionellen Vorschaltgerät durch mindestens einen in Serie zur Lampe geschalteten Blindwiderstand in Form einer Drossel. Durch Parallelschalten eines Kondensators zur Lampe ergibt sich ein Serien-Parallel-Resonanzschwingkreis. Als DC/AC-Wandler kommen Halb- und Vollbrücken sowie auch eine Transistorschaltung und ein Durchflusswandler mit geteilter Primärwicklung in Frage.
Nunmehr soll auf die Bestandteile des in Fig. 1 schematisch dargestellten Gleichspannungskonverters 1 Bezug genommen werden. Die Netzspannung 2 wird oberwellengefiltert einem Gleichrichter 3, wie bspw. einem Brückengleichrichter zugeführt. Die durch den Brückengleichrichter 3 erzeugte Gleichspannung wird dann dem Gleichspannungskonverter 1 zugeführt.
Gemäß der Erfindung weist dieser Gleichspannungskonverter 1 (wie in Fig. 1 dargestellt)einen HF-Wechselrichter 4 auf, der eine hochfrequente Wechselspannung an einen Serienresonanzkreis 5 anlegt. Die im Wesentlichen konstante Hochfrequenz des Wechselrichters 4 liegt dabei im Bereich der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises 5. Bekannlich heben sich bei einem Serienresonanzkreis im Resonanzfall die Blindwiderstände der Induktivitäten und Kapazitäten gegenseitig auf. Wirksam bleibt lediglich der aus den Leitungsverlusten und anderen Verlusten resultierende ohmsche Serienwiderstand. Im Resonanzfall stellt sich also der Serienresonanzkreis 5 als quasi-ohmsche Last dar.
Die Spannung des Serienresonanzkreises 5 wird schließlich durch einen Ausgangsgleichrichter 6 in eine Gleichspannung DC umgesetzt, mittels der bzw. ein Elektrolyt-Kondensator (Elko) 7 über einen Ladewiderstand 8 geladen werden kann. Die Spannung an dem Elektrolytkondensator 7 stellt die geregelte Zwischenkreisspannung des elektrischen Vorschaltgeräts dar.
Wie in Fig. 1 ersichtlich wird die durch den Gleichrichter 6 erzeugte umgesetzte Gleichspannung als Signal zu dem HF- Wechselrichter 4 zurückgeführt. Weiterhin wird eine Referenzspannung U_REF für den HF-Wechselrichter 4 bereitgestellt. Somit, wie bezugnehmend auf Fig. 2 und 3 noch näher dargestellt werden wird, kann die Ausgangsspannung des Gleichrichters 6 auf Referenzspannung U_REF geregelt werden. Eine Erfassung des Leistungsfaktors (Power Factor) ist dagegen nicht notwendig, da ja wie bereits erwähnt der Serienresonazkreis 5 im Resonanzfall eine inhärent ohmsche Last darstellt.
Eine Implementierung des Prinzips von Fig. 1 soll nunmehr bezugnehmend auf Fig. 2 erläutert werden. In Fig. 2 ist ein Oberwellenfilter 9 für die Netzpannung U_LINE mittels eines Kondensators C1 realisiert. Dieses Oberwellenfilter 9 verhindert, dass hochfrequente Anteile vom elektronischen Vorschaltgerät ins Netz gelangen können. Das Oberwellenfilter 9 wird dabei wie dargestellt bspw. durch eine Kapazität C1 und eine Induktivität L1 gebildet. Ein Brückengleichrichter V1 führt die Netzspannung gleichgerichtet dem HF-Wechselrichter 4 zu.
Der HF-Wechselrichter 4 besteht in diesem Fall aus einer Steuereinheit 10, die bspw. als integrierte Schaltung (IC) ausgeführt werden kann. Dieser integrierten Schaltung 10 können zur Regelung der gleichgerichteten Ausgangsspannung des Gleichspannungskonverters 1 eine einstellbare Referenzspannung U_REF sowie die Ausgangsspannung als Istwert zugeführt werden. Die Steuerschaltung 10 steuert über Treiber 11, 12 Leistungsschalter 13, 14 an, die bspw. als FETs realisiert sein können.
Die Ansteuerung der FETs 13, 14 erfolgt dabei mit einer im Wesentlichen konstanten Schaltfrequenz in einem Bereich bspw. zwischen 100 kHz und 1 MHz. Mittels der Schalter 13, 14 wird der folgende Serienresonanzkreis 5 betrieben, der im dargestellten Fall aus einer Induktivität L2 in Serie zu einer Kapazität C3 besteht.
In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist weiterhin eine Parallelresonanzschaltung bestehend aus einer Induktivität L3 und einer Kapazität C4 an den Serienresonanzkreis 5 angeschlossen. Diese Parallelresonanzschaltung dient zur Erhöhung der Impedanz des Gleichspannungskonverters 1 insbesondere bei einer hohen Eingangsspannung. Schließlich wird die Ausgangsspannung durch einen Ausgangs-Gleichrichter 6 der aus den Dioden V6, V7 und V8 gebildet ist, gleichgerichtet.
Durch die dargestellte Schaltung lässt sich ein Leistungsfaktor (Power Factor) von mehr als 0,99 erzielen.
Um nunmehr auf das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 zu kommen, so besteht der wesentliche Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 darin, dass die Auskopplung der gleichgerichteten Ausgangsspannung induktiv erfolgt. Der Serienresonanzkreis bestehend aus der Induktivität L2 und der Kapazität C3 kann somit gleichzeitig auch die Ausgangsspannung bezüglich der gleichgerichteten Netzspannung nach oben oder unten transformieren.
Zur induktiven Auskopplung kann wie dargestellt eine weitere Induktivität L3 parallel zu der Kapazität C3 des höheren Resonanzkreises geschaltet sein. Diese parallel zu der Kapazität C3 des Serienresonanzkreises geschaltete Induktivität ist im Sinne eines Auskopplungstrafos wiederum induktiv mit einer weiteren Spule gekoppelt.
Schließlich kann alternativ, aber auch zusätzlich zu der ersten Auskopplungsstelle D1/D2 eine zweite Auskopplungsstelle D3/D4 für die gleichgerichtete Ausgangsspannung vorgesehen sein. Zur Realisierung der zweiten Auskopplungsstelle D3/D4 ist eine weitere Induktivität induktiv mit der Induktivität L2 des Serienresonanzkreises gekoppelt.
Dadurch, dass der HF-Wechselrichter 4 mit Hochfrequenz betrieben wird, ist es möglich, die Induktivität wie auch die Kapazität des Serienresonanzkreises gering zu halten. Daher können diese Bauteile kostengünstig und insbesondere auch in Form einer gedruckten Schaltung realisiert werden.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung entsteht am Ausgang der Schaltung (DC_out) eine Gleichspannung in der Höhe der halben Netzhalbwellen am Eingang des Gleichspannungskonverters. Bei einer Netzspannung U_LINE von effektiv 220 Volt liegen die mit dem Brückengleichrichter 3 am Eingang des Gleichspannungskonverters 1 gleichgerichteten Netzhalbwellen bei 330 Volt (Spitzenspannung) so dass am Ausgang des Gleichspannungskonverters 1 eine gleichgerichtete Spannung von 165 Volt auftritt. Dieser Wert von 165 Volt wird durch die Spannungsregelung, d. h. die Rückführung der gleichgerichteten Ausgangsspannung zu dem HF-Wechselrichter 4 und genauer gesagt zu der Ansteuerschaltung 10 erreicht.
Die beiden Schalter 13, 14 des HF-Wechselrichters 4 werden abwechselnd ein- und ausgeschaltet, wobei die Einschaltzeiten für beide Schalter im Wesentlichen gleich lang sind.
Die Ausgangsspannung U_Dcout kann variiert werden, indem das Schaltverhalten des Wechselrichters 4 bspw. durch Veränderung der Einschaltzeit der beiden Schalter verändert wird.

Claims

1. Gleichspannungskonverter zur Verwendung in einem Betriebsgerät für Leuchten, wobei der Gleichspannungskonverter (4) mit einer gleichgerichteten Netzspannung (2) versorgt wird und eine geregelte Gleichspannung erzeugt, aufweisend:
einen Wechselrichter (4),
einen Serienresonanzkreis (5), der durch den Wechselrichter im Bereich seiner Resonanzfrequenz mit im wesentlichen konstanter Frequenz angesteuert ist, und
einen Gleichrichter (6) für die am Serienresonanzkreis (5) anliegende Wechselspannung zur Erzeugung einer gleichgerichteten Ausgangsspannung.

2. Gleichspannungskonverter nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend: eine Steuerschaltung (10) für den Wechselrichter (4), der die gleichgerichtete Ausgangsspannung sowie eine Referenzspannung zugeführt sind und das Schaltverhalten des Wechselrichters (4) zur Regelung der gleichgerichteten Ausgangsspannung auf die Referenzspannung steuert.

3. Gleichspannungskonverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
weiterhin aufweisend
einen Parallelresonanzkreis, der zur Impedanzanpassung zwischen den Serienresonanzkreis(5) und den Gleichrichter(6) geschaltet ist.

4. Gleichspannungskonverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (4) zwei Schalter (13, 14) aufweist, an deren Mittenpunkt der Serienresonanzkreis (5) angeschlossen ist.

5. Gleichspannungskonverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (16) einen Kondensator lädt.

6. Gleichspannungskonverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (4) mit einer Frequenz in dem Bereich zwischen 100 KHz und 1 MHz, insbesondere zwischen 200 und 600 KHz betrieben ist.

7. Gleichspannungskonverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die den Serienresonanzkreis (5) bildenden Bauteile als gedruckte Schaltung realisiert sind.

8. Gleichspannungskonverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung vor dem Gleichrichter (6) induktiv ausgekoppelt ist.

9. Gleichspannungskonverter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Auskopplung mittels eines Übertragers hoher Impedanz erfolgt, der parallel zu der Kapazität des Serienresonanzkreises (5) geschaltet ist.

10. Gleichspannungskonverter nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Auskopplung mittels einer mit der Induktivität des Serienresonanzkreises (5) induktiv gekoppelten Spule erfolgt.

11. Elektronisches Vorschaltgerät zum Betrieb einer Lampe, insbesondere einer Gasentladungslampe, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Gleichspannungskonverter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.