DE3125074C2

DE3125074C2 -

Info

Publication number: DE3125074C2
Application number: DE3125074A
Authority: DE
Inventors: Henk Eindhoven Nl Houkes
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1980-07-21
Filing date: 1981-06-26
Publication date: 1990-01-18
Also published as: JPS5752378A; NL8004175A; US4415838A; FR2487140B1; GB2080652B; FR2487140A1; CA1167902A; BE889686A; GB2080652A; JPH0243432B2; DE3125074A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbbrückenwechselrichter nach dem Oberbegriff des Patentanspruches. Dieser arbeitet als Frequenzwandler.

Ein derartiger Halbbrückenwechselrichter ist aus der US-PS 37 33 541 bekannt. Er dient zum Betrieb einer mit einem Ballast zusammenwirkenden Entladungslampe mit inneren Elektroden. Der Wechselrichter ist mit Transistoren ausgerüstet und arbeitet bei relativ niedrigen Frequenzen zwischen 17 und 30 KHz, was zu relativ großen Bauelementen, insbesondere Spulen, führt.

In der US-PS 35 00 118 ist ein Frequenzwandler zum Betrieb einer elektrodenlosen Entladungslampe bei einer Frequenz zwischen 100 und 500 KHz beschrieben. Seine Ausbeute (Wirkungsgrad) ist verhältnismäßig niedrig. Dies ist u. a. der Steuerung des Halbleiterschaltelementes mit einem einen Widerstand enthaltenden Steuerkreis zuzuschreiben.

Aus der US-PS 40 60 752 ist ein Gegentaktwechselrichter zum Betrieb einer elektrodenlosen Entladungslampe bekannt. Ein derartiger Gegentaktwechselrichter ist jedoch umständlich und teuer aufgebaut.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen einfach aufgebauten Halbbrückenwechselrichter mit hohem Wirkungsgrad (hoher Ausbeute) zum Betrieb einer elektrodenlosen Entladungslampe bei relativ hohen Frequenzen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einem Halbbrückenwechselrichter eingangs erwähnter Art gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches gelöst.

Eine Frequenz von mindestens 0,5 MHz bietet zur Speisung einer elektrodenlosen Entladungslampe den Vorteil, daß die Ausbeute der Einkopplung von der Lampenspule in die Entladungsbahn in der Regel groß ist.

Die Ausbeute dieses Wechselrichters ist ziemlich hoch, weil die Steuerung des Halbleiterschaltelements nahezu verlustlos ist. Außerdem kann infolge des Durchschlagselementes das Steuersignal rechteckig sein. Dies ist zur Herabsetzung elektrischer Verluste im Halbleiterschaltelement selbst förderlich. Auch führt der angegebene Typ von Halbleiterschaltelement dabei zu einer weiteren Vergrößerung der Ausbeute.

Der Erfindung liegt u. a. die Erkenntnis zugrunde, durch eine bessere Steuerung der Halbleiterschaltelemente zu einer höheren Ausbeute dieses Wechselrichters zu gelangen und damit zu einer höheren Systemausbeute (Lumen pro Watt) der Kombination von Wechselrichter mit einer zu speisenden elektrodenlosen Entladungslampe. Der zu benutzende Transformator kann durch die hohe Arbeitsfrequenz von mindestens 0,5 MHz klein sein.

Unter einem VMOS-Halbleiterschaltelement sei hier ein Power-MOS-Fet verstanden, bei dem eine Hauptelektrode an der einen Seite des Kristalls des Halbleiterschaltelements liegt und die andere Hauptelektrode an der anderen Seite dieses Kristalls vorgesehen ist (Vertical Power MOS-FET).

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß die Ausbeute sehr hoch ist, weil die Verluste im Halbleiterschaltelement gering sind. Außerdem kann die Arbeitsfrequenz groß sein, beispielsweise 2 MHz oder darüber. Hierdurch wird die Einkopplung der Lampenspule in die elektrodenlose Entladungslampe vergrößert, wodurch sich ein weiterer Beitrag zur höheren Systemausbeute ergibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung eines als Frequenzwandler dienenden Halbbrückenwechselrichters sowie einer zweiphasigen Gleichrichteranordnung;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Lampeneinheit mit einer elektrodenlosen Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe und einer Schaltungsanordnung nach Fig. 1.

In Fig. 1 sind 1 und 2 Eingangsanschlüsse zum Anschließen an eine Wechselspannungsquelle von etwa 220 V, 50 Hz. Zwischen den Anschlüssen 1 und 2 ist ein Entstörgerät 3 angeschlossen. Die Anschlüsse 1 und 2 sind ebenfalls die Eingangsanschlüsse einer zweiphasigen Gleichrichteranordnung, die eine mit vier Dioden ausgerüstete Gleichrichterbrücke 4 enthält. Ein Ausgangsanschluß 5 der Gleichrichteranordnung ist auch der Eingangsanschluß eines Wechselrichters. Der zweite Ausgangsanschluß 6 der Gleichrichteranordnung ist ebenfalls ein zweiter Eingangsanschluß des Wechselrichters.

Die beiden Eingangsanschlüsse 5 und 6 des Wechselrichters sind an einen Hauptkondensator 7 angeschlossen, der im Betriebszustand der Schaltung eine Gleichspannungsquelle für diesen Wechselrichter bildet.

Die Eingangsanschlüsse 5 und 6 des Wechselrichters sind durch eine Serienschaltung aus einem ersten Hilfskondensator 8, einer Parallelschaltung einer Lampenspule 9 einerseits und einer Reihenverbindung eines Kondensators 10 und einer Primärwicklung 11 eines Stromtransformators 12 andererseits, einer Spule 13 und einem als VMOS ausgebildeten, mit einer Steuerelektrode versehenen Halbleiterschaltelement 14 miteinander verbunden.

Die Lampenspule 9 ist mit der Entladungsbahn einer in Fig. 1 schematisch dargestellten elektrodenlosen Entladungslampe 15 gekoppelt. Für Einzelheiten über die Spule 9 und die Lampe 15 sei auf Fig. 2 verwiesen.

Der Wechselrichter enthält ferner einen zweiten Hilfskondensator 16, der mit dem ersten Hilfskondensator 8 in Serie geschaltet und weiter an den Anschluß 6 angeschlossen ist.

Auch ist ein zweiter gleichartiger VMOS 17 vorgesehen, der mit dem ersten VMOS 14 in Serie geschaltet und mit dem Anschluß 5 verbunden ist.

In diesem Kreis bildet die Kombination der Schaltungselemente 9, 10, 11 und 13 den Mittelabzweig einer Brückenschaltung, deren Schaltungselemente 8, 16, 17 und 14 sich in den einzelnen vier Brückenzweigen befinden. Der erste und der zweite Brückenzweig 8, 16 sind in Serie geschaltet. Der dritte und der vierte Brückenzweig 14, 17 sind ebenfalls in Serie geschaltet. Weiter liegt die Serienschaltung des ersten und des zweiten Brückenzweigs 8, 16 parallel zur Serienschaltung des dritten und des vierten Brückenzweigs 17, 14.

Der Transformator 12 besitzt zwei Sekundärwicklungen 18 und 19. Die Wicklung 18 ist ein Teil des Steuerkreises des VMOS 17; sie verbindet eine Steuerelektrode des VMOS 17 mit einer Hauptelektrode dieses VMOS. Die Enden der Wicklung 18 sind durch ein Durchschlagselement verbunden, das aus zwei entgegengesetzt in Reihe geschalteten Zenerdioden 20 und 21 besteht. Die Wicklung 19 ist ein Teil eines Steuerkreises des VMOS 14; sie verbindet eine Steuerelektrode mit einer Hauptelektrode des VMOS 14. Die Enden der Sekundärtransformatorwicklung 19 sind durch ein Durchschlagselement verbunden, das aus zwei entgegengesetzt in Reihe geschalteten Zenerdioden 22 und 23 besteht.

Die Steuerschaltung des VMOS 14 besitzt eine Starterschaltung, die aus einer Serienschaltung eines Widerstandes 24 und eines Kondensators 25 besteht. Diese Serienschaltung verbindet die beiden Eingangsanschlüsse 5 und 6 des Wechselrichters. Die genannte Startschaltung umfaßt auch ein Durchschlagelement (Diac) 26, das zwischen dem Verbindungspunkt der Serienschaltung 24, 25 und der Steuerelektrode des VMOS 14 angeschlossen ist.

Diese Schaltung arbeitet wie folgt: Wenn zwischen den Anschlüssen 1 und 2 eine Wechselspannungsquelle angeschlossen wird, werden über die Gleichrichterbrücke 4 die Kondensatoren 7, 8 und 16 aufgeladen. Auch wird über den Widerstand 24 der Kondensator 25 aufgeladen. Wenn der Kondensator 25 soweit aufgeladen ist, daß die Durchschlagspannung des Elements 26 erreicht ist, macht ein Strompuls durch das Element 26 den VMOS 14 leitend. Dann fließt ein Strom durch die Reihe 8, 9, 10, 11, 13, 14. Dieser Strom erzeugt in der zunächst unbelasteten Parallelschaltung 9, 10, 11 eine Schwingung. Sie sperrt jetzt über den Transformator 12 den VMOS 14 und macht den VMOS leitend. Hierdurch fließt ein Strom u. a. im Kondensator 16. Danach wird wieder der VMOS 17 gesperrt und der VMOS 14 leitend usw.

Die Ströme, die dabei die Lampenspule 9 durchfließen, bewirken in der Entladungsbahn der elektrodenlosen Entladungslampe 15 eine Entladung, wodurch diese leuchtet.

Mit Hilfe der Zenerdioden 20 und 23 sind die Steuersignale für die VMOS-Schaltelemente 14 und 17 rechteckig gemacht.

In einem praktischen Ausführungsbeispiel haben die Schaltungselemente ungefähr die in der nachstehenden Tabelle angegebenen Werte:

Tabelle
Kondensator 7\|8 µF
Kondensator 8	22 nF
Kondensator 10	560 pF
Kondensator 16	22 nF
Kondensator 25	2,7 nF
Spule 9	5 µH
Spule 13	30 µH
Widerstand 24	1 MOhm
Zenerspannung der Zenerdioden 20 bis 23	5,6 V

Durchschlagspannung des Schaltungselements 26
40 Volt
Transformator-Primärwicklung 11	2 Windungen
Sekundärwicklung 18	15 Windungen
Sekundärwicklung 15	15 Windungen

In diesem Fall ist die Arbeitsfrequenz etwa 3 MHz. Der wirksame Strom durch die Spule 13 beträgt etwa 0,25 A und der durch die Spule 9 etwa 0,6 A. Dieser Wandler arbeitet im D-Betrieb. Ohne die Zenerdioden 20 bis 23 würden die Steuerspannungen der VMOS 14 und 17 10 V übersteigen.

In Fig. 2 ist eine mit der beschriebenen Schaltungsanordnung ausgerüstete Lampeneinheit dargestellt.

In Fig. 2 ist 15 wiederum die elektrodenlose Entladungslampe, hier im Längsschnitt dargestellt. 9 stellt die zweite Spule des Parallelkreises 9, 10, 11 dar; siehe weiter Fig. 1.

Die elektrodenlose Entladungslampe 15 besitzt einen Glaskolben 41 und einen Sockel 42. Die Innenwand des Lampenkolbens 41 ist mit einer Leuchtstoffschicht 43 versehen, die die im Lampenkolben erzeugte Ultraviolettstrahlung in sichtbares Licht umwandelt. Im Lampenkolben befinden sich ein rohrförmiger Kanal 44 in Form eines Bogens, in den mit Hilfe einer Klemmverbindung (nicht dargestellt) ein halbrunder Ferritkern 45 aufgenommen ist. Es wird mit Hilfe eines gesonderten Ferritjochs 46 zu einem geschlossenen Ferritring vervollständigt. Das Joch 46 befindet sich im Lampensockel 42. Die Trennlinie der beiden Ferritteile befindet sich in der Ebene 47 a-47 b. Um das Joch 46 herum ist die Spule 9 gewickelt. Die Spule 9 könnte auch teilweise oder völlig um das Ferritteil 45 gewickelt sein. Die Spule 9 wird mit Hochfrequenz gemäß der Beschreibung der Fig. 1 gespeist. Der Block 49 in Fig. 2 enthält die Gesamtheit der Schaltungselemente 3 bis 8, 10 bis 14 und 16 bis 26 der Fig. 1.

1 und 2 sind Anschlüsse einer Schraubhülse 51 zum Anschließen an das Speisenetz von z. B. 220 V, 50 Hz. 52 sind Verbindungsdrähte der Anschlüsse 1 und 2 zum Block 49.

In einem Ausführungsbeispiel der beschriebenen Lampeneinheit beträgt der Durchmesser des kugelförmigen Glaskolbens etwa 80 mm. Im Lampenkolben befinden sich eine Quecksilbermenge (etwa 20 mg) und Argon unter einem Druck von etwa 190 Pa. An der Innenwand des Lampenkolbens befindet sich eine Leuchtstoffschicht, die aus einer Mischung dreier Phosphore, und zwar aus blau lumineszierendem mit zweiwertigem Europium aktiviertem Bariummagnesiumaluminat, grüne lumineszierendem mit Terbium aktivierten Ceriummagnesium-aluminat und rot lumineszierenden mit dreiwertigem Europium aktivierten Yttriumoxid besteht. Die Außenwand des rohrförmigen Kanals 44 ist mit einer reflektierenden Schicht 43 a (Titanoxid) versehen. Diese Schicht ist elektrisch nicht leitend, um die Einkopplung der Spule 9 in die Entladungsbahn des Lampenkolbens 41 nicht zu stören. Die Schicht 43 a ist auch an der dem Lampensockel zugekehrten Wand des Lampenkolbens angebracht. Der magnetische Werkstoff des Ringkerns 45, 46 besteht aus einem Ferrit mit einer Permeabilität von etwa 100. Die Spule 9 besteht aus acht Windungen eines Kupferfolienbandes mit einer Breite von etwa 2 mm und einer Dicke von etwa 0,1 mm. Der Hochfrequenzoszillator hat, wie bereits bemerkt, eine Frequenz von etwa 3 MHz.

Bei einer zugeführten Leistung von etwa 17 W beträgt der Lichtstrom 850 Lumen. Die Ausbeute des Frequenzwandlers beträgt gut 80%. Die Systemausbeute (Lampe + Speisung) beträgt etwa 50 Lumen/W.

Die hohe Ausbeute des beschriebenen Frequenzwandlers wird dadurch erreicht, daß die Verluste in den Steuerkreisen der Halbleiterschaltelemente sowie die Verluste in den Halbleiterschaltelementen selbst klein sind.

Die beschriebene Lampeneinheit kann beispielsweise eine Glühlampe ersetzen.

Claims

Halbbrückenwechselrichter zum hochfrequenten Betrieb einer Entladungslampe (15), in dessen ersten und zweiten Brückenzweig jeweils ein Hilfskondensator (8, 16) und in dessen dritten und vierten Brückenzweig jeweils ein Halbleiterschaltelement (14, 17) angeordnet ist und in dessen Mittelabzweig die Entladungslampe liegt, wobei die Halbleiterschaltelemente mit Sekundärwicklungen (18, 19) eines Transformators (12) verbunden sind, dessen Primärwicklung (11) mit dem Mittelabzweig in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß zum Betrieb einer induktiv anregbaren elektrodenlosen Entladungslampe mit einer Frequenz von mindestens 0,5 MHz die Halbleiterschaltelemente (14, 17) Power-MOS-Fets, insbesondere mit VMOS-Struktur, sind und im Mittelabzweig der Brückenschaltung eine Spule (13) in Reihe mit einer Parallelschaltung aus einer Lampenspule (9) einerseits und einer Reihenschaltung eines Kondensators (10) und der Primärwicklung (11) des Transformators (12) andererseits vorhanden sind, wobei die Steuerelektrode und eine Hauptelektrode der Power-MOS-FETs (14, 17) miteinander jeweils durch eine der Sekundärwicklungen (19, 18) des Transformators verbunden sind und parallel zu diesen Sekundärwicklungen jeweils ein Durchschlagselement (22, 23) geschaltet ist, wobei das Übersetzungsverhältnis des Transformators (12) so groß ist, daß im Betriebszustand die Spannung über diesen Durchschlagselementen den Durchschlagwert erreicht.