DE29900756U1

DE29900756U1 - Ballast for the operation of gas discharge lamps on low-voltage power rails

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Publication number: DE29900756U1
Application number: DE29900756U
Authority: DE
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Priority date: 1999-01-18
Filing date: 1999-01-18
Publication date: 2000-02-17
Anticipated expiration: 2009-01-19

Description

Andreas Heymann Essen, den 15.01.1999Andreas Heymann Essen, 15.01.1999

Moosstraße 1 45359 Essen Moosstrasse 1 45359 Essen

Betr.: Vorschalteinrichtung für den Betrieb von Gasentladungslampen an NiederspannungsstromschienenSubject: Ballast for the operation of gas discharge lamps on low-voltage busbars

Beschreibung:Description:

Niederspannungsschienensysteme zum Betrieb von Halogenleuchten sind bekannt.Low-voltage track systems for operating halogen lamps are well known.

Halogenspiegellampen sind wegen ihrer universellen Verwendungsmöglichkeit und wegen ihrer unproblematischen Handhabung weit verbreitet. -Halogen mirror lamps are widely used because of their universal application and their easy handling. -

Nachteilig ist jedoch ihr verhältnismäßig hoher Stromverbrauch. Außerdem ist ihr grelles nahezu punktförmig abgestrahltes Licht nicht in allen Fällen erwünscht.However, the disadvantage is their relatively high power consumption. In addition, their bright, almost point-shaped light is not always desirable.

Wesentlich günstiger sind in dieser Beziehung die als Stromsparleuchten bekannten Gasentladungslampen ( Leuchtstofflampen ).Gas discharge lamps (fluorescent lamps), known as energy-saving lamps, are considerably more economical in this respect.

Der Betrieb dieser Lampen an Schienensystemen ist jedoch wesentlich problematischer. Die Lampen benötigen höhere Zünd- und Betriebsspannungen. Außerdem müssen sie wegen ihres nach der Zündung stark abfallenden Innenwiderstandes zur Strombegrenzung mit einer Vorschalteinrichtung betrieben werden.However, operating these lamps on track systems is much more problematic. The lamps require higher ignition and operating voltages. In addition, they must be operated with a ballast to limit the current because their internal resistance drops sharply after ignition.

Es sind jedoch verschieden Anmeldungen bekannt, in denen die Verwendung von Gasentladungslampen an Schienensystemen angesprochen wird, u. a. US - Patent 498232 vom 01.07.1986 und Europ. Pat. - Anmeldung 0374724 A1 vom 14.12.1989.However, various applications are known in which the use of gas discharge lamps on rail systems is addressed, including US Patent 498232 dated July 1, 1986 and European Patent Application 0374724 A1 dated December 14, 1989.

Hierbei wird vorgeschlagen, die Lampen an hochfrequent gespeisten Schienensystemen zu betreiben.It is proposed to operate the lamps on high-frequency powered track systems.

Die hierzu erforderlichen Vorschaltgeräte lassen sich auf verschiedenen Wegen realisieren.The ballasts required for this can be implemented in various ways.

Den geringsten Aufwand erfordert hierbei die in der US - Anmeldung vorgeschlagene Verwendung eines Reihenresonanzkreises, bei der prinzipiell nur zwei Bauteile benötigt werden. The least effort is required by the use of a series resonant circuit as proposed in the US application, which in principle only requires two components.

Die Lampen können mit einer derartigen Vorschalteinrichtung allerdings nur an hochfrequenzgespeisten Schienensystemen bestimmter Frequenz betrieben werden.However, the lamps can only be operated with such a ballast on high-frequency powered track systems of a certain frequency.

Ein weiteres Problem ergibt sich dadurch, daß das gesamte Schienensystem auf der Betriebsfrequenz schwingt, wenn die angeschlossenen Verbraucher eine auf der Resonanzfrequenz betriebene Blindstrombelastung darstellen.A further problem arises from the fact that the entire rail system oscillates at the operating frequency if the connected consumers represent a reactive current load operating at the resonance frequency.

Hierdurch werden weitreichende elektromagnetische Störungen verursacht.This causes widespread electromagnetic interference.

Zum Betrieb von Halogenleuchten werden jedoch unterschiedliche Schienensysteme in großer Anzahl angeboten. Diese Systeme können mit konventionellen 50 Hz - Netztransformatoren oder zur hochfrequenten Speisung der Schienen mit elektronischen Schaltnetzteilen betrieben werden, deren Betriebsfrequenz üblicherweise zwischen 20 khz und 100 khz liegt.However, a large number of different rail systems are available for operating halogen lamps. These systems can be operated with conventional 50 Hz mains transformers or, for high-frequency power supply of the rails, with electronic switching power supplies whose operating frequency is usually between 20 kHz and 100 kHz.

Gasentladungslampen, die für den Betrieb an Stromschienen angeboten werden sollen, müssen deshalb ebenfalls an allen eingeführten Schienensystemen betrieben werden können.Gas discharge lamps that are to be offered for operation on busbars must therefore also be able to be operated on all introduced busbar systems.

Obwohl die prinzipielle Verwendbarkeit und die Vorteile des Betriebes von Gasentladungslampen seit langem bekannt sind, haben sich diese Lampen aus den beschriebenen Gründen und weil praktisch verwendbare Vorschaltgeräte bisher nicht zur Verfugung stehen, für die Verwendung an Schienensystemen noch nicht durchsetzen können.Although the basic usability and advantages of operating gas discharge lamps have long been known, these lamps have not yet been able to establish themselves for use in track systems for the reasons described above and because practically usable ballasts are not yet available.

Ein praxistaugliches Konzept zur Anwendung dieser Lampen gibt es ebenfalls nicht.There is also no practical concept for the use of these lamps.

Mit der vorliegenden Anmeldung wird deshalb ein System beschrieben, mit dem die Möglichkeiten geschaffen werden soll, konventionelle U-förmig gebogene Gasentladungslampen so universell wie Halogenleuchten zu verwenden und an Niederspannungsschienen mit allen z. Zt. angebotenen Stromversorgungssystemen zu betreiben.The present application therefore describes a system which is intended to create the possibility of using conventional U-shaped gas discharge lamps as universally as halogen lamps and operating them on low-voltage rails with all currently available power supply systems.

Der Wirkungsgrad der Lampen soll hierbei nicht schlechter sein, als bei den bekannten unmittelbar aus dem Netz gespeisten Lampen.The efficiency of the lamps should not be worse than that of the known lamps fed directly from the mains.

Zur Lösung dieser Aufgabe mußte zunächst ein neues Vorschaltgrät entwickelt werden, das sowohl mit der Netzfrequenz als auch mit Hochfrequenz betrieben werden kann.To solve this problem, a new ballast had to be developed that could operate at both mains frequency and high frequency.

Hierzu wird ein extern gesteuertes Schaltwandlersystem verwendet, mit dem Frequenz und Taktverhältnis optimal an die Magnetisierungskurve des Wandlertransformators angepaßt werden können.For this purpose, an externally controlled switching converter system is used, with which the frequency and duty cycle can be optimally adapted to the magnetization curve of the converter transformer.

Der Wandler bezieht seine Betriebsspannung aus einem vorgeschalteten Hochfrequenzgleichrichter, mit dem die Schienen phasensymetrisch belastet werden. Zur Gleichrichtung der Hochfrequenz werden separate sogenannte " schnelle Dioden " verwendet. Serienmäßige Brückengleichrichter sind hierzu nicht geeignet, weil deren kapazitiver Nebenschluß zu extremer Erwärmung der Halbleitersysteme und entsprechend schlechtem Wirkungsgrad führt.The converter draws its operating voltage from a high-frequency rectifier connected upstream, which loads the rails in a phase-symmetrical manner. Separate so-called "fast diodes" are used to rectify the high frequency. Standard bridge rectifiers are not suitable for this because their capacitive shunt leads to extreme heating of the semiconductor systems and correspondingly poor efficiency.

Die Rechteckimpulse des Schaltwandlersystems werden in der Sekundärwicklung des Wandlertransformators unter Mitwirkung eines Kondensators in Sinusform umgewandelt.The rectangular pulses of the switching converter system are converted into sinusoidal signals in the secondary winding of the converter transformer with the help of a capacitor.

Die Lampen können mit dieser Vorschalteinrichtung weitgehend störstrahlungsfrei an allen Niederspannungs - Schienen - und Stromversorgungssystemen mit unterschiedlicher Betriebsfrequenz betrieben werden.With this ballast, the lamps can be operated on all low-voltage rail and power supply systems with different operating frequencies with little or no interference.

Weil die Lampen über Schienensysteme mit Strom versorgt werden, die durch den Netztransformator bzw. durch ein Schaltnetzteil vom Versorgungsnetz getrennt sind, werden die Rückwirkungen auf das Versorgungsnetz weitgehend durch das jeweilige Netzteil des Schienensystems bestimmt.Because the lamps are supplied with power via track systems that are separated from the supply network by the mains transformer or a switching power supply, the effects on the supply network are largely determined by the respective power supply of the track system.

Trotzdem sollen die Lampen selbst und die jeder Lampe zugehörige Vorschalteinrichtung ebenfalls möglichst rückwirkungsfrei betrieben werden können.Nevertheless, the lamps themselves and the ballast associated with each lamp should also be able to be operated with as little reaction as possible.

Durch die dem Schaltwandler vorgeschaltete Gleichrichter Kondensator - Kombination wird der Versorgungsschiene bei Netzbetrieb jedoch ein pulsförmiger Strom entnommen, weil der Ladekondensator bei jeder Stromhalbwelle nur nachgeladen werden soll. Hierdurch ergibt sich ein ungünstiger Leistungsfaktor mit hohem Oberschwingungsanteil, der letztlich bis auf das Versorgungsnetz transformiert wird.However, due to the rectifier capacitor combination connected upstream of the switching converter, a pulsed current is taken from the supply rail during mains operation, because the charging capacitor is only to be recharged during each current half-wave. This results in an unfavorable power factor with a high harmonic content, which is ultimately transformed into the supply network.

Dieser Nachteil kann durch Verwendung eines elektronischen Netzteils mit integriertem Leistungsfaktorkorrekturgerät z. B. eines bekannten geregelten Hochsetzstellers weitgehend ausgeglichen werden.This disadvantage can be largely compensated by using an electronic power supply with an integrated power factor correction device, e.g. a well-known regulated boost converter.

Die durch die Gleichrichter - Kondensator - Kombination verursachten Rückwirkungen auf die Schienen lassen sich bei Betrieb mit 50 Hz - Transformatoren ebenfalls erheblich reduzieren, wenn eine derartige Einrichtung zur Oberschwingungsbegrenzung dem Niederspannungsschaltwandler jeder Lampe vorgeschaltet wird.Hierdurch kann auf den großen Ladekondensator im Gleichrichterstromkreis verzichtet werden.The effects on the rails caused by the rectifier-capacitor combination can also be significantly reduced when operating with 50 Hz transformers if such a device for limiting harmonics is connected upstream of the low-voltage switching converter of each lamp. This means that the large charging capacitor in the rectifier circuit can be dispensed with.

Stattdessen wird dem Gleichrichtersystem ein wesentlich kleinerer Kondensator nachgeschaltet, der lediglich zur Glättung der Hochfrequenzhalbwellen dient, die Netzfrequenzhalbwellen jedoch weitgehend ungesiebt passieren läßt.Instead, a much smaller capacitor is connected downstream of the rectifier system, which only serves to smooth the high-frequency half-waves, but allows the mains frequency half-waves to pass through largely unfiltered.

Bei Betrieb mit der Netzfrequenz ergibt sich hierdurch eine annähernd sinusförmige Stromentnahme mit entsprechend geringem Oberwellenanteil.When operated at the mains frequency, this results in an almost sinusoidal current consumption with a correspondingly low harmonic content.

Mit dieser Schaltungstechnik werden die Vorschriften bezüglich des Störverhaltens der Lampe weit übertroffen.With this circuit technology, the regulations regarding the interference behavior of the lamp are far exceeded.

Bei Betrieb der Lampe an hochfrequenzgespeisten Schienensystemen ergibt sich trotz mehrfacher Frequenzumsetzung ebenfalls ein sehr hoher Gesamtwirkungsgrad, mit dem Ergebnis, daß der Stromverbrauch insgesamt um über 50 % niedriger ist, als bei Halogenleuchten mit entsprechender Leuchtintensität.When the lamp is operated on high-frequency powered track systems, a very high overall efficiency is also achieved despite multiple frequency conversion, with the result that the total power consumption is over 50% lower than with halogen lamps with the corresponding light intensity.

Die Leistungsfaktorkorrektur kann in diesem Fall in dem elektronischen Netzteil erfolgen.In this case, the power factor correction can be done in the electronic power supply.

Neben der technisch einwandfreien Funktion muß jedoch gewährleistet sein, daß sich die Vorschalteinrichtung auch mechanisch konzeptionell in die vorhandene Systemlandschaft integrieren läßt.In addition to technically flawless functioning, it must be ensured that the ballast can also be mechanically integrated into the existing system landscape.

Hierbei muß davon ausgegangen werden, daß die konventionelle Form der Entladungsröhren technisch bedingt ist und daß die Lampen an den vorgegebenen weit verbreiteten
Schienensystemen mit ihrer speziellen Anschlußtechnik betrieben werden müssen.It must be assumed that the conventional shape of the discharge tubes is due to technical reasons and that the lamps are based on the widely used
Rail systems with their special connection technology must be operated.

Für die Vorschalteinrichtung wurden deshalb zwei Gehäusevarianten entwickelt, die den genannten Anforderungen entsprechen. Two housing variants were therefore developed for the ballast that meet the above requirements.

Aufgrund des hohen Wirkungsgrades konnte das Wandlersystem so klein aufgebaut werden, daß es mit einer Lampenfassung zu einer Funktionseinheit kombiniert werden konnte, die einerseits zur Aufnahme einer gesockelten Gasentladungslampe dient, andererseits an ihrer Außenseite mit zusätzlichen -mft Kontaktsegmenten verbunden ist, mit denen die Fassung über Klemm - Schraub - oder Steckverbindungselemente unmittelbar an die Stromzuführungsschienen angeschlossen oder in einem entsprechendem Lampengehäuse befestigt werden kann.Due to the high efficiency, the converter system could be constructed so small that it could be combined with a lamp holder to form a functional unit which, on the one hand, serves to accommodate a capped gas discharge lamp and, on the other hand, is connected on its outside to additional -mft contact segments with which the holder can be connected directly to the power supply rails via clamp - screw or plug connection elements or can be fastened in a corresponding lamp housing.

Diese Ausführungsvariante bietet den Vorteil, daß serienmäßige Gasentladungslampen in normgerechten Sockeln an den Schienensystemen betrieben werden können.This design variant offers the advantage that standard gas discharge lamps can be operated in standard sockets on the rail systems.

Die komplexe Vorschalteinrichtung kann bei dieser Version über die Lebensdauer mehrere Lampen verwendet, jedoch ebenfalls problemlos ausgetauscht werden.In this version, the complex ballast can be used for several lamps over their lifetime, but can also be easily replaced.

Bei dieser Variante kann die Fassung so ausgeführt sein, daß bei Bedarf Reflektoren und Lampenschirme an ihr befestigt werden können, so daß die Fassung als Grundmodul eines Lampensystemes dient, das mit der in der Halogentechnik üblichen Verbindungstechnik an allen bekannten Schienen oder Seilsystemen befestigt und aufgrund der beschriebenen Vorschalteinrichtung mit allen derzeit vertriebenen Stromversorgungssytemen betrieben werden kann .In this variant, the socket can be designed in such a way that reflectors and lampshades can be attached to it if required, so that the socket serves as the basic module of a lamp system which can be attached to all known rails or cable systems using the connection technology customary in halogen technology and, due to the ballast described, can be operated with all currently sold power supply systems.

Alternativ wurde die Vorschalteinrichtung als Kontaktsockel konzipiert, mit dem die Lampe als Funktionseinheit in der Fassung herkömmlicher Beleuchtungskörper betrieben werden kann.Alternatively, the ballast was designed as a contact base, with which the lamp can be operated as a functional unit in the socket of conventional lighting fixtures.

Die Niederspannungsanschlußkontakte des Sockelsystems wurden hierbei als Kontaktsegmente unmittelbar auf der Außenseite des Gehäuses des Wandlers angebracht, so daß die Lampe durch Einschieben in eine entsprechende Lampenfassung betriebsbereit angeschlossen ist.The low-voltage connection contacts of the base system were mounted as contact segments directly on the outside of the converter housing, so that the lamp is connected and ready for operation by inserting it into a corresponding lamp socket.

Die Kontaktsegmente sind jeweils zusätzlich mit einem Schraubgewindeanschluß verbunden. Die Lampe kann deshalb über die in der Halolgentechnik üblichen Schraubverbindungen auch unmittelbar und ohne Lampengehäuse an
serienmäßigen Schienen - oder Seilsystemen befestigt werden. Hierbei können Reflektoren oder Lampenschirme unmittelbar an den Sockel angeklemmt oder mit den Schraubelementen mit diesen verbunden werden .The contact segments are each additionally connected with a screw thread connection. The lamp can therefore be connected directly to the lamp via the screw connections commonly used in halogen technology, without a lamp housing.
standard rail or cable systems. Reflectors or lampshades can be clamped directly to the base or connected to them using the screw elements.

Claims

1. Ballast for the operation of gas discharge lamps on low-voltage busbars, characterized in that the lamps are each connected to a converter system integrated in the ballast, which enables the lamps to be operated on low-voltage busbars or on cable systems both with the mains frequency and with high-frequency operating voltage and/or
that the ballast contains a switching converter system whose operating voltage can be obtained by rectification from low voltage of different frequencies and/or
that an electronic harmonic filter is operated between the low-voltage rectifier and the switching converter generating the lamp operating voltage, with which harmonic feedback on the rail systems operated at different frequencies is limited or prevented and/or
that the heating of the discharge tube is controlled by a separate clock generator, whereby the heating filaments of the tube are heated with different operating voltages.

2. Ballast for operating gas discharge lamps on low-voltage power rails, characterized in that the ballast is connected to a lamp holder to form a functional unit which, on the one hand, serves to accommodate a capped gas discharge lamp, but on the outside of which additional contact segments are attached, with which the holder can be connected directly to the power supply rails via clamping, screwing or plug-in connection elements and/or that further screwing, clamping or fastening elements are attached to the holder, with which reflectors or lampshades can be attached directly to the holder, so that the holder can be used as a basic module or as a connecting element of an expandable lamp system which can be coupled as a functional unit to various rails or power supply systems and/or operated with various operating frequencies.

3. Ballast device according to claim 1, characterized in that the ballast connected to the lamp is integrated in a base which makes it possible to connect the lamp without a housing and intermediate socket to different low-voltage rails, rods or cable systems or to operate the socketed lamp as a functional unit in the socket of low-voltage lamp housings with mains frequency or with high frequency and/or that the low-voltage connection contacts of the base system consist of contact segments which are attached directly to the outside of the base so that the lamp is connected and ready for operation by being inserted into a corresponding lamp socket.