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DE2819003A1 - Ballastschaltung mit hohem leistungsfaktor - Google Patents

Ballastschaltung mit hohem leistungsfaktor

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Publication number
DE2819003A1
DE2819003A1 DE19782819003 DE2819003A DE2819003A1 DE 2819003 A1 DE2819003 A1 DE 2819003A1 DE 19782819003 DE19782819003 DE 19782819003 DE 2819003 A DE2819003 A DE 2819003A DE 2819003 A1 DE2819003 A1 DE 2819003A1
Authority
DE
Germany
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circuit
capacitor
voltage
diode
voltage conversion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE19782819003
Other languages
English (en)
Inventor
William C Knoll
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osram Sylvania Inc
Original Assignee
GTE Sylvania Inc
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Filing date
Publication date
Application filed by GTE Sylvania Inc filed Critical GTE Sylvania Inc
Publication of DE2819003A1 publication Critical patent/DE2819003A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Description

GTE Sylvania Inc., USA
27.4.1978
GTE-PA 139
PATENTANMELDUNG
Ballastnchaltung mit hohem Leistungsfaktor
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft eine Spannungs-Umsetzungsschaltung nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
Gegenwärtig gebräuchliche Ballastschaltungen für Leuchtstofflampen sind noch meist 120 Hz Autotransformatortypen. Jedoch sind derartige Geräte schwer und umständlich zu installieren. Dazu haben sie eine schlechte Leistungscharakteristik und erzeugen unerwünschte Wärme und damit Energieverluste.
Eine andere Art von bekannten Ballastschaltungen benutzt eine
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Flip-Flop-Oszillatorschaltung, die mit einem Transformator mit sättigbarem Kern arbeitet. Dadurch wird der Lampenstrom begrenzt und eine Zerstörung der Lampen verhindert. Das Sättigungsverhalten ist jedoch oft sprunghaft und nicht genau vorhersehbar. Deshalb verwendet man diese Geräte ungern.
Ballastschaltungen, die aus dem Netz gespeiste Oszillatorschaltungen für Sinuswellen besitzen und für die wirtschaftliche Speisung von Leuchtstofflampen konzipiert wurden, sind in den Vereinigten Staaten von Amerika bereits entwickelt worden.
Eine damit in Zusammenhang stehende, noch schwebende Anmeldung richtet die Netzspannung gleich und steuert mit der so erhaltenen pulsierenden Gleichspannung einen Oszillator,der
• 11 ein HF-Potential liefert, an welchen eine Larapenschaltung liegt. Diese Lösung enthält Maßnahmen, um die Speicherzeit der Transistoren zu kompensieren, wie auch eine Klemmschaltung, die das "Durchgehen" der Gleichrichter verhindert, falls die Lampenlast entfernt wird.
Obwohl diese Lösung erhebliche Verbesserungen gegenüber der sonst üblichen Technik bringt, ist der Leistungsfaktor noch unbefriedigend.Außerdem ist diese Lösung schaltungsmäßig sehr komplex.
Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Ballastschaltung zu entwickeln, die von dem Stand der Technik ausgeht und eine verbesserte Spannungs-Umsetzung mit hohem Leistungsfaktor der Schaltung aufweist, wobei eine HF-Potential-Rückkopplungs-Fähigkeit [high frequency potential feedback
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capability) vorhanden sein soll, die Änderungen vorhandener Potentiale erlaubt, um so "Ausschalten" C"turn-off"Y und "Einschalten" ("turn-on"Y Verhalten der Lampenlast zu verhindern.
Die Aufgabe wird für den angegebenen Oberbegriff des Hauptanspruchs erfindungsgemäß nach dem Kennzeichen desselben gelöst.
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen sind den übrigen Ansprüchen und der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
Nach der Erfindung ist eine Spannungs-Umsetzungsschaltung als Ballastschaltung für Leuchtstofflampen vorteilhafterweise so ausgebildet, daß ein Brückengleichrichter aus dem Weohselspannungsnetz eine pulsierende Gleichspannung erzeugt, die oinen HF-Inverter zur Erzeugung eines HF-Potentials anregt, das die Last speist. Eine Rückkopplungsschaltung richtet das HF-Potential gleich und gibt diese Energie an die pulsierende Gleichspannung, um diese daran zu hindern, unter einen bestimmten Pegel abzusinken. Dadurch wird das den HF-Inverter speisende Gleichspannungspotential im wesentlichen gleichförmig gehalten.
Diese Schaltung besitzt.einen hohen Leistungsfaktor, arbeitet also wirtschaftlich,hat geringes Gewicht läßt sich ohne großen Aufwand herstellen. Die Rückkopplungs-Fähigkeit hilft den unerwünschten Stroboskop-Effekt in einer aus Lampen bestehenden Lastschaltung unterbinden. Testergebnisse zeigten eine Verbesserung der Effizienz um 23 % verglichen mit magnetischen 60 Hz Ballastschaltungen für zweimal 40 Watt-Lampen.
-B-
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Die nachfolgende Beschreibung der Ausführungsbeispiele nimmt Bezug auf die Zeichnung. Diese zeigt in
Figur 1 ein schematisches· Blockschaltbild einer Ausführung der Erfindung;
Figur 2 ein schematisches Blockschaltbild einer besonderen Ausführung der Schaltung nach Figur 1;
Figur 3 ein schematisches Blockschaltbild einer anderen Ausführung der Schaltung nach Figur 1;
Figur 4 ein schematisches Blockschaltbild einer weiteren Ausführung der Schaltung nach Figur 1 j
Figur 5 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführung mit weiteren Eigenschaften, ausgehend von der Schaltung der Figur 1 j
Figur B eine schematische Schaltung einer bevorzugten Ausführung einer Spannungs-Umsetzungsschaltung mit hohem Leistungsfaktor.
In den Figuren 1 bis 5 sich wiederholende Blöcke, Baugruppen oder Bauelemente besitzen jeweils die gleiche Positionsziffer.
Figur 1 zeigt eine Spannungs-Umsetzungsschaltung mit hohem Leistungsfaktor in einem schematischen Blockschaltbild mit einer Wechselspannungsquelle 7, die den Zweiweg- oder Brückengleichrichter 9 speist. Dieser gibt eine pulsierende Gleichspannung ab, die zum HF-Inverter 11 geleitet wird. Er liefert eine HF-Ausgangsspannung, die eine Lastschaltung 13 speist, z.B. ein Paar Leuchtstofflampen.
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Das HF-Ausgangspotential des HF-Inverters liegt auch an der Rückkopplungsgleichrichterschaltung 15. Hier wird eine Gleichspannung erzeugt und an die Rückkopplungsschaltung 17 geliefert. Diese besteht aus der Reihenschaltung einer Trenndiode 19 und eineg Ladekondensators 21,die parallel zum Ausgang des Gleichrichters 9 angeschlossen ist. Die Gleichspannung von der Schaltung 15 wird an der Verbindungsstelle 23 der Diode 19 und des Kondensators 21 zugeführt. Ein HF-Ableitkondensator 24 liegt parallel zu der Schaltung 17 und zum Eingang des HF-Inverters.
Wenn das Eingangssignal der Wechselstromquelle 7 die Wellenform 26 hat, folgt nach dem Gleichrichter 9 für den pulsierenden Gleichstrom eine Wellenform 28. Der Ausgang des HF-Inverters 11 würde ohne die Rückkopplung über den Rückkopplungsgleichrichter 15 und die Rückkopplungsschaltüng 17 eine Hüllkurve besitzen, die im wesentlichen der Wellenform 2B entspräche. Durch das an den Verbindungspunkt 23 rückgekoppelte Signal wird bei entsprechender Dimensionierung der Trenndiode 19 und des Ladekondensators 21 erreicht, daß die Wellenform am Ausgang des HF-Inverters eine um einen bestimmten Pegel geringfügig schwankende, also geglättete Hüllkurve aufweist. Das zeigt die Wellenform 30.
Durch die Trenndiode wird der Ladekondensator vom Netz bzw. der Quelle 9 der pulsierenden Gleichspannung getrennt. Gleichzeitig liefert er jeweils, wenn der Pegel unter einen bestimmten Wert geht, Energie über die dann gerade leitende Trenndiode 19. Auf diese Weise wird der Leistungsfaktor der Schaltung nicht störend verkleinert durch die Energierückkope-1 UiTg-. Vielmehr entsteht eine gleichmäßigere Gleichspannung. Das bewirkt, daß der unerwünschte Stroboskop-Effekt nicht auftritt.
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Die Figur 2 zeigt abweichend von Figur 1 im Einzelnen einen HF-Inverter 11, der auch als HF-Zerhacker (HF-chopper) bezeichnet wird, wobei zwei in Reihe geschaltete Transistaren 25 und 27 am Ausgang des Zweiweggleichrichters 9 liegen und mit einer Basis-Ansteuerung 29 gekoppelt sind. Ein Kondensator 31 liegt in Reihe mit der Wicklung 33 und shunted den Transistor 27. An die Wicklung 33 ist die Last 13 induktiv angekoppelt. Die Gleichrichterschaltung 15 ist über die Wicklung 35 angekoppelt und enthält die beiden Dioden 37 und 39 in den Außenzweigen der mittenangezapften Wicklung 35.
Figur 3 zeigt eine alternative Schaltung, ähnlich Figur 2. Hia-r jedoch ist die Lastschaltung 13 parallel zum Kondensator 31 angeschlossen und nicht induktiv angekoppelt über die Wicklung 33
Figur 4 zeigt eine ähnliche Schaltung, wobei jedoch ein Spannungsverdoppler 41 statt der Schaltung 15 mit dem Kondensator 45 und der Diode 43 in Reihe parallel zum Kondensator 31 liegt und eine Diode 47 am Verbindungspunkt der Diode 43 und des Kondensators 45 angeschlossen ist und zum Verbindungspunkt 23 führt. Diese Schaltung liefert ebenfalls die zuvor erwähnten gleichgerichteten Rückkopplungsspannungen.
Figur 5 zeigt eine weitere Variante der Schaltung nach Figur 1. Die Schaltungen 15 und 17 sind wie vorne beschrieben, zwischen denen jedoch eine einstellbare Induktivität 49 vorgesehen ist, mit der die für die Lastschaltung 13 verfügbare Ausgangsleistung gesteuert werden kann. Hiermit kann der Betrag der rückgekoppelten Energie geregelt und so in der Folge
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der Klemmpegel der Gleichspannung variiert werden. Ein zusätzlicher Kondensator 51 liegt parallel zum Ladekondensator 21 und leitet unerwünschte Stromstöße ab und verringert dadurch die Belastung des Ladekondensators 21.
Die Figur 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Spannungs-Umsetzungsschaltung, die eine Siebschaltung im Wechselspannungseingang aufweist. Sie besteht aus ilen LC-Gliedern, die aus den Längsdrosseln 53 und 55 sowie den an Masse angeschlossenen Kondensatoren 59 und 61 aufgebaut sind. Parallel zum Eingang liegt eine Oberwellenunterdrückungseinrichtung Diese Eingangssiebschaltung 7 ist notwendig,um zu verhindern, daß HF-Energie des Oszillators in das Netz gelangen kann. An den Ausgang ist die Brückengleichrichterschaltung 9 mit den Diode 63, 65,67 und 69 angeschlossen. Sie ist an ihrem Ausgang mit Kondensator 71, der geringe Kapazität aufweist, überbrückt.
Es folgt der HF-Inverter 11, der als Sinuswellenoszillator mit den beiden in Reihe geschalteten Transistoren 73, 75 ausgebildet ist und nach einer Rechteckwellenform den Brückengleichrichter 9 shunten. Der Transistor 73 hat eine Basisvorspannungsschaltung, die sich aus der Parallelschaltung einer Diode 79 und eines Kondensators 77 und einem Widerstand 81, der mit dem Collektor verbunden ist, zusammengesetzt. Analog ist eine Basisvorspannungsschaltung für den Transistor 75 vorgesehen, die aus der Diode 85, dem Kondensator 83 und dem Widerstand 87 aufgebaut ist.
Ein erster Transformator 89 besitzt eine geteilte Sekundärwicklung. Eine erste Teilwicklung 91 ist mit der Verbindungsstelle der Diode 79 mit dem Kondensator 77 verbunden sowie
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mit der Verbindungsstelle des Emitters des Transistors 73 mit dem Collektor des Transistors 75. Eine zweite Teilwicklung 93 ist in gleicher Weise mit den entsprechenden Bauteilen 63 und 85 und dem Emitter des Transistors 75 verbunden.
Eine weitere Sekundär-Wicklung 95 des ersten Transformators 89 ist über einen Widerstand 97 an dem Verbindungspunkt der beiden Transistoren 73 und 75 angeschlossen sowie an der Lastschaltung 13, um so Lastvariationen kompensieren zu können, wie noch erklärt wird. Die Primär-Wicklung 99 liegt mit ihrem einen Ende an dem einen Ausgang des Brückengleichrichters 9 und ihr anderes Ende ist in Reihe geschaltet mit einer Primär-Wicklung 103 eines zweiten Transformators 105 und einem Kondensator 101. Dieser liegt am Verbindungspunkt der beiden Transistoren 73 und 75. Der Kondensator 101 und die Primär-Wicklung 103 bilden einen Reihenresonanzkreis.
Die Sekundär-Wicklung 107 des zweiten Transformators 105 dient zur induktiven Ankopplung der Last, z.B. der Leuchtstofflampen Die Sekundär-Wicklung 107 enthält Wicklungsteile und -abgriffe, die zur Speisung der Heizer und Elektroden der Lampen dimensioniert sind.
Eine weitere Sekundär-Wicklung 109 des Transformators 105 ist Teil der Rückkopplungsgleichrichterschaltung 15, die die Dioden 113 und 111 in den Außenzuleitungen sowie die Drossel 115 in der Mittenzuleitung der mittenangezapften Wicklung 109 aufweist. Letztere ist mit dem einen Ausgang des Brückengleichrichters 9 verbunden. Die beiden Dioden 111, 113 sind ähnlich Figur 2 mit der Verbindungsstelle 117 der Rückkopplungsschaltung 17 verbunden, die .zwischen der Trenndiode 119 und dem
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Ladekondensator 121 liegt. Der Ladekondensator 121 wird mit einen Kondensator 123 geshunted. Die Ruckkopplunggschaltung 17 ist mit den Ausgängen des Brückengleichrichters 9 verbunden.
Zur Funktion der Schaltung ist folgendes zu sagen: Die Siebschaltung der Wechselstromquelle 7 besitzt die beiden als Tiefpaß arbeitenden LC-Glieder wie beschrieben. Lm Zusammenwirken mit dem Oberwellen-Clipper 57 wird durch die Schaltung bewirkt, daß der Brückengleichrichter 9 von dem Netzeingang bzgl. HF-Interferenz-Signalen isoliert ist und eine hohe Impedanz wirksam wird für diese Signale, die zurück auf das Netz wirken würden.
Die Funktion des Brückengleichrichters 9 ist bekannt. Aus der Wellenform 125 wird die Wellenform 127. Unerwünschte HF-Signale und Oberwellen hoher Ordnung werden durch den Kondensator 71 abgeleitet.
Die den Sinuswellen-Oszillator 11 speisende, pulsierende Gleichspannung hat 120 Hz und liefert ein pulsierendes Ausgangssignal mit etwa 2OkHz. Dieses Ausgangssignal erscheint am Resonanzkreis, der aus deiji Kondensator 101 und der Induktivität 103 besteht, und wird wirksam an der Wicklung 107 der Lastschaltung 13. Dadurch steigt die Spannung an der Wicklung 107 zunächst bis zur Lampenzündung an, danach bleibt sie auf einem Wert, der ausreicht, den Lampenbetrieb aufrecht zu erhalten.
Gleichzeitig werden über die Wicklungen 91 und 93 die Basisvorspannungen für die Transistoren 73 und 75 erzeugt. Sollte
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eine Lastveränderung eintreten, z.B. bei Lampenwechsel, wird diese Wirkung zurückgekoppelt auf die Wicklungen 91 und 93 und so auch zur Wicklung 95. Das bewirkt eine lastabhängige Regelung der Basisvorspannung der Transistorsn 73 und 75 und eine schädliche Wirkung durch Lastwechsel kann für die Schaltung nicht auftreten.
Weiterhin enthält die Rückkopplungsgleichrichterschaltung die Sekundär-Wicklung 109, die induktiv mit Primär-Wicklung 103 gekoppelt ist. Sie empfängt das Ausgangssignal, richtet es gleich mit den Dioden 111 und 113 und liefert daraus ein gleichgerichtetes HF-Signal an den Ladekondensator 121 sowie dem Kondensator 123 der Rückkopplungsschaltung 17. Das setzt sich fort bis die Ladespannung des Potential der pulsierenden Gleichspannung [Wellenform 127) übertrifft, die am Ausgang der Brückengleichrichterschaltung 9 vorhanden ist. Die Tr<3nndiode 119 wird dadurch leitend und die gespeicherte Energie des Ladekondensators 121 und des Kondensators 124 sorgt dafür, daß eine im wesentlichen gleichförmige Gleichspannung entsteht, wie es mit der Wellenform 129 angedeutet ist.
Es hat sich gezeigt, daß diese Rückspeisung von Energie jeweils dann, wenn das Potential der Kondensatoren 121 und das der pulsierenden Gleichspannung für kurze Zeiten überschreitet/durch die steuernde Wirkung der Trenndiode 119 erreicht wird, daß die Rückkopplungsschaltung 17 keine Reduktion des Leistungsfaftors der Schaltung bewirkt. Außerdem ist die geglättete Wellenform 129 dafür verantwortlich, daß der unerwünschte, weil sehr störende Stroboskop-Effekt wie auch die "Einschalt"- und "Ausschalf'-Charakteristik der Lastschaltung im wesentlichen eliminiert werden.
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Claims (12)

GTE-PA 139 Patentansprüche:
1.)Spannungs-Umsetzungsschaltung mit hohem Leistungsfaktor, insbesondere als Ballastschaltung für Leuchtstofflampen, wobei eine pulsierende Gleichspannung aus dem Wechselspannungsnetz durch Gleichrichtung gewonnen wird und zur Speisung einer Hochfrequenz-Oszillatorschaltung benutzt wird, an welche die Lampenschaltung ,angekoppelt ist, und wobei eine Klemmschaltung für den Gleichrichter dafür vorgesehen ist, daB bei Lampenentfernung, z.B. bei Lampenwechsel, die Schaltung nicht "durchgeht", gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
a. Eine Hochfrequenz-Inverter-Schaltung ist an eine Brückengleichrichterschaltung gekoppelt und enthält einen LC-Reihensehaltkreis j
b. Eine Lastschaltung ist an die LC-Reihenschaltung der Hochfrequenz-Inverterschaltung gekoppelt ι
c. Eine Röckkoppungsgleichrichterschaltung ist an den
Hochfrequenz-Inverter gekoppeltj
d. Eine Rückkopplungsschaltung enthält eine Trenndiode und 8insn Ladakondensator in Reihe, die den Brückengleichrichter überbrücken, wobei die Verbindungsstelle von
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Trenndiode und Ladekondensator mit der Rückkopplungsgleichrichterschaltung verbunden ist und wobei Hochfrequenzenergie von dem genannten Inverter an den Ladekondensator geliefert wird und dazu benutzt wird, um die pulsierende Gleichspannung in eine im wesentlichen gleichförmige Gleichspannung umzusetzen.
2. Spannungs-Umsetzungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastschaltung induktiv an die Induktivität der LC-Schaltung gekoppelt ist.
3. Spannungs-Umsetzungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastschaltung an dem Kondensator der LC-Schaltung angeschlossen ist.
4. Spannungs-Umsetzungsschaltung mit hohem Leistungsfaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB die Rückkopplungsgleichrichterschaltung die Form einer induktiven Wicklung hat, die mit der Induktivität der LC-Schaltung
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gekoppelt ist und ein Paar elektronischer Gleichrichter aufweist, die jeweils mit einem entgegengesetzten Ende der induktiven Wicklung verbunden sind.
5. Spannungs-Umsetzungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsgleichrichterschaltung die Form einer Spannungsverdopplerschaltung besitzt, die mit dem Kondensator der LC-Schaltung schaltungsmäßig verbunden ist, wobei die Spannungsverdopplerschaltung eine Reihenschaltung einer Diode eines Kondensators aufweist, die den Kondensator der LC-Schaltung überbrückt, und wobei eine zweite Diode die Verbindungsstelle von der ersten Diode und dem Kondensator mit der Rückkopplungsschaltung verbindet.
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6. Spannungs-Umsetzungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rukkopplungsschaltung einen zweiten Kondensator parallel zum Lade-Kondensator besitzt, wodurch unerwünschte Stromstöße, die am Lads-Kondensator auftreten, abgeleitet werden.
7. Spannungs-Umsetzungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltung eine einstellbare Impedanz enthält, die diese an die Verbindungsstelle von Trenndiode und Lade-Kondensator koppelt, wobei diese Impedanz die Klemmfähigkeit steuert und damit auch die Ausgangsleistung der gesamten Spannungs-Umsetzungsschaltung.
8. Spannungs-Umsetzungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge-· kennzeichnet, daß eine Schaltung zur Gptimalisierung der Ansteuerung (driving optimizing circuit) vorgesehen ist, die die Lastschaltung mit dem Hochfrequenz-Inverter koppelt, um so die Ansteuerung des Inverters in Abhängigkeit von Änderungen in der Lastschaltung zu variieren.
9. Spannungs-Umsetzungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenz-Inverter zwei in Reihe geschaltete Transistoren aufweist, die den Brückengleichrichter überbrücken,wobei ein zweiter Transformator mit einer Primärwicklung an den als Oszillator arbeitenden Inverter angekoppelt ist, daß eine erste Sekundär-Wicklung schaltungsmäßig mit der Rückkopplungsgleichrichterschaltung verbunden ist und ein erster Transformator eine Primärwicklung aufweist, die in Reihe mit der Primär-Wicklung des zweiten Transformators geschaltet ist, und daß eine erste Sekundcär-Wicklung an den ersten und zweiten Transi-
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stör gekoppelt ist und eine zweite Sekundär-Wicklung an die erste Sekundär-Wicklung des zweiten Transformators im Lastkreis angeschlossen ist, um Laständerungen zu kompensieren.
10. Spannungs-Umsetzungsschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Speiseschaltung für Leuchtstofflampen eine Transformator-Sekundär-Wicklung dient, welche an die Schaltung zur Abgabe eines HF-Potentials und an eine Lampenlastschaltung gekoppelt ist.
11. Spannungs-Umsetzungssrhaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Gleichrichtung des HF-Potentials aus einermittenangezapften Sekundär-Wicklung besteht, in deren beiden äußeren Zuleitungen je eine Diode liegt.
12. Spannungs-Umsetzungsschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Gleichrichtung des HF-Potentials eine Spannungsverdoppler-Schaltung aufweist, die einen Kondensator und eine erste Diode in Reihe enthält, die an die Schaltung zur Abgabe eines HF-Potentials abgeschlossen sind,und eine zweite Diode ist mit der Verbindungsstelle des Kondensators und der ersten Diode verbunden .
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DE19782819003 1977-05-04 1978-04-29 Ballastschaltung mit hohem leistungsfaktor Ceased DE2819003A1 (de)

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ID=25161038

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