DE9111890U1

DE9111890U1 - Schaltungsanordnung zur regelbaren Speisung einer Gasentladungslampe hoher Strahlungsleistung

Info

Publication number: DE9111890U1
Application number: DE9111890U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-09-24
Filing date: 1991-09-24
Publication date: 1991-11-14
Anticipated expiration: 2001-09-25

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur regelbaren Speisung von Gasentladungslampen hoher Strahlungsleistung mit einer regelbaren Gleichstromquelle, mit einem der regelbaren Gleichstromquelle nachgeschalteten, aus vier elektronischen Schaltern bestehenden Wechselrichter, der die Gasentladungslampe mit einem Wechselstrom speist und eine Brückendiagonale zum Anschluß der Gasentladungslampe aufweist.

Aus der DE-PS 26 42 272 1st eine Schaltungsanordnung bekannt, die aus einer Gleichrichterbrücke, einem der Gleichrichterbrücke nachgeschalteten Gleichstromschalter und einem Wechselrichter besteht. In den Querzweig des Wechselrichters 1st eine Gasentladungslampe angeordnet. Die bekannte Schaltungsanordnung verhindert, daß Gasentladungslampen während der Täler der gleichgerichteten Netzspannung verlöschen. Dazu 1st vor dem Gleichstromschalter eine kapazitive Energiespeicher-HHfsschaltung angeordnet, aus der die Gasentladungslampe während der Täler der gleichgerichteten Netzspannung mit einem kleinen Strom gespeist wird. Der Speisestrom wird der Gasentladungslampe über den Gleichstromschalter zugeführt, der in Abhängigkeit vom Lampenstrom gesteuert wird. Hierfür 1st ein Komparator vorgesehen, der an den Steuereingang des Gleichstromschalters eine der gleichgerichteten Netzspannung proportionale Spannung anlegt.

Dadurch wird zwar erreicht, daß der erzwungene geformte Lampenstrom einen Kurvenverlauf aufweist, der eine Kurvenform des Netzstromes für einen hohen Eingangsleistungsfaktor zur Folge hat. Die Schaltungsanordnung liefert aber keinen Wechselstrom mit rechteckförmigem Verlauf und möglichst stellen Flanken.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur regelbaren Speisung von Gasentladungslampen hoher Strahlungsleistung verfügbar zu machen, die mit wenigen und mit kleinen Bauelementen einen hohen Strahlerwirkungsgrad erzielt.

Die Erfindung erreicht dies dadurch, daß die regelbare Gleichstromquelle einen Halbleiterschalter als Steller, eine Freilaufdiode und eine Glättungsinduktivität aufweist, daß sich die Umschaltzelten der jeweils paarweise leitenden elektronischen Schalter derart überschneiden, daß für einen kurzen Augenblick sowohl die regelbare Gleichstromquelle als auch die Gasentladungslampe kurzgeschlossen sind, und daß der Halbleiterschalter und Wechselrichter synchron mittels der Steuereinrichtung angesteuert werden, derart, daß der Halbleiterschalter einmal oder mehrmals während einer Halbperlode sperrt und auch während des Querkurzschlusses sperrt, wodurch der Wechselstrom einen rechteckigen Kurvenverlauf mit stellen Flanken erhält.

Die Schaltung weist den Vorteil auf, daß eine Glättungsinduktivität mit kleinem Induktivitätswert und kleiner Baugröße verwendet werden kann.

Damit der vom Netz aufgenommene Strom möglichst gering 1st, besitzt die regelbare Gleichstromquelle einen ungesteuerten Gleichrichter und einen Glättungskondensator. Weniger vorteilhaft kann man die Schaltung mit gesteuertem Gleichrichter und Glättungsinduktivität betreiben. Dann werden Netzstrom und Netzblindleistung größer, und man benötigt trotzdem einen Kondensator, der beim Umschalten der elektronischen Schalter die Energie aufnehmen kann, die in Leitungsinduktivität und Transformatorstreu1ndukt1vität des Lampenstromkreises enthalten 1st.

Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß die Schaltungsanordnung zur Verhinderung von nach dem Kurzschließen der Transistoren auftretende Überspannungen, eine Schutzeinrichtung mit einer Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer Diode aufweist, die die Glättungsinduktivität und den Halbleiterschalter überbrückt.

Es ist zweckmäßig, zur Unterstützung des Zündvorgangs der Gasentladungslampe vor die Gasentladungslampe eine Unterstützungseinrichtung zu schalten.

Die Unterstützungseinrichtung ist eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator, die entweder aus dem Wechselrichter oder einer Hilfsspannungsquelle geladen wird und nach dem Zünden der Gasentladungslampe mittels eines mechanischen Kontaktes, der von der Steuereinrichtung betätigt wird, überbrückt wird.

Eine Weiterbildung liegt darin, die Gasentladungslampe durch einen Transformator von der übrigen Schaltung zu trennen.

Um eine Sättigung des Eisens im Transformator zu vermelden, sind die paarweise leitenden elektronischen Schalter asymmetrisch gesteuert.

Beispielsweise sind die elektronischen Schalter als Transistoren realisiert.

Es ist vorteilhaft, die Schaltungsanordnung an ein Drehstromnetz anzuschließen.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nachstehend näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur regelbaren Speisung von

Gasentladungslampen, in der die Erfindung zum Einsatz kommt; Fig. 2 den Stromverlauf in der Glättungsinduktivität; Fig. 3 das Zustandsdiagramm der paarweise leitenden Schalttransistoren des

Wechselrichters,

Fig. 4 den Stromverlauf über den Steller;
Fig. 5 den Stromverlauf der Freilaufdiode;
Fig. 6 den rechteckförmigen Wechselstrom mit steilen Flanken der

Gasentladungslampe.

Es wird darauf hingewiesen, daß die in den Fig. 2 bis 6 dargestellten Ströme und Zustandsdiagramme lediglich idealer Natur sind und nicht die tatsächlichen Kurvenformen wiedergeben. Zur besseren Darstellung wurden die einzelnen Kurvenverläufe zeitlich stark ausgedehnt.

In Fig. i ist eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung dargestellt, deren Grundkomponenten eine regelbare Gleichstromquelle 20, ein der regelbaren Gleichstromquelle nachgeschalteter Wechselrichter 9, eine in die Brückendiagonale des Wechselrichters 9 geschaltete Gasentladungslampe 8 hoher Strahlungsleistung und eine Steuereinrichtung 21 sind.

Die regelbare Gleichstromquelle 20 umfaßt einen an ein Drehstromnetz 18 geschalteten Drehstromgleichrichter 19, dessen Ausgangsklemmen jeweils mit einer Anschlußklemme eines Glättungskondensator 10 verbunden sind. Parallel zum Glättungskondensator 10 ist über einen elektronischen Schalter 1n Form eines Transistors 1 eine Freilaufdiode 2 angeschlossen, wobei die Kathode der Freilaufdiode 2 am Pluspol des Kondensators 10 liegt und den Plus-Ausgang 30a der regelbaren Gleichstromquelle 20 bildet. Von der Anode der Freilaufdiode kommt man über die Glättungsinduktivität 3 zum Minus-Ausgang 30b.

Die so verwirklichte regelbare Gleichstromquelle 20 speist unmittelbar den Wechselrichter 9, der vier, 1n Form einer Brückenschaltung zusammengeschaltete elektronische Schalter in Form von Schalttransistoren 4 bis 7 aufweist. Dazu sind die Transistoren 4 und 5 sowie die Transistoren 6 und 7 in Reihe geschaltet, wobei der Kollektoranschluß der Transistoren 4 und 6 mit dem Kathodenanschluß der Freilaufdiode 2 und der Emitteranschluß der Transistoren 5 und 7 mit einem Anschluß der Glättungsinduktivität 3 verbunden sind.

Die Brückendiagonale des Wechselrichters 9 wird durch eine Reihenschaltung aus einer Unterstützungseinrichtung 14 bis 16 und einem Transformator mit angeschlossener Gasentladungslampe 8 belastet.

Die Unterstützungseinrichtung 14 bis 16 dient dazu, während des Zündvorgangs der Gasentladungslampe 8 eine zusätzliche Zündspannung zur Verfügung zu stellen, um so ein sicheres Zünden der Lampe zu gewährleisten. Dazu 1st ein Widerstand 14 in Reihe mit einem Kondensator 15 geschaltet, der entweder aus dem Wechselrichter 9 oder einer Hilfsspannungsquelle (nicht gezeigt) geladen wird. Nach dem Zünden wird die Unterstützungseinrichtung 14 bis 16 durch einen mechanischen Kontakt 16 überbrückt. Die Betätigung des mechanischen Kontaktes 16 erfolgt über die Steuereinrichtung 21.

Der Wechselrichter benötigt einen überspannungsschutz, der beispielsweise dadurch erreicht wird, daß Glättungsinduktivität 3 und elektronischer Schalter 1 mit einer Reihenschaltung aus einem Widerstand 12 und einer Diode 13 überbrückt werden.

Für die weiteren Erläuterungen der Erfindung sollen folgende Annahmen gelten:

- die Gasentladungslampe 8 ist bereits gezündet,

- die Unterstützungseinrichtung 14 bis 16 ist durch den mechanischen Kontakt 16 überbrückt.

Die Grundfunktion der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist darin zu sehen, daß die geregelte Gleichstromquelle 20 einen eingeprägten Strom an den Wechselrichter 9 abgibt, der dann die Gasentladungslampe 8 mit einem Rechteckstrom mit möglichst steilen Flanken speist.

Voraussetzungen für einen rechteckförmigen Wechselstrom mit möglichst stellen Flanken ist, daß im Lampenstromkreis, und Insbesondere in der Brückendiagonale die Leitungsinduktivitäten klein sind und außerdem keine zusätzlichen Induktivitäten vorhanden sein dürfen. Dazu kann zweckmäßig auch der Transformator 17 aus der Brückendiagonalen entfernt werden, da eine solche Maßnahme die Funktion der Schaltungsanordnung nicht beeinträchtigt.

Es sei der Fall angenommen, daß der Stelltransistor 1 und das Transistorpaar 4, 7 leitend sind. Dann fließt der von der regelbaren Gleichstromquelle 20 abgegebene Gleichstrom als positive Halbwelle vom Anschluß 30a über den Transistor 4, den mechanischen Kontakt 16, den Transformator 17 und weiter über Transistor 7.zurück zum Anschluß 30b.

Die entsprechenden Stromverläufe in der Schaltungsanordnung und der Schaltzustand des Wechselrichters 9 sind für den oben angegebenen Fall 1n den Fig. 2 bis 6 dargestellt, und zwar beginnend bei der Zeit t = 0 bis ungefähr zum auf der Abszisse eingetragenen Zeitpunkt Ti.

Im einzelnen zeigen: Fig. 2 den ansteigenden Strom durch die Glättungsinduktivität 3, Fig. 3 den leitenden Zustand des Transistorpaares 4, 7 und den sperrenden

Zustand des Transistorpaares 5, 6,
Fig. 4 den Stromverlauf durch den Transistor 1, der dem Spulenstrom nach Fig.

2 entspricht,

Fig. 5 den sperrenden Zustand der Freilaufdiode 5 sowie Fig. 6 den dem Kurvenverlauf des Spulenstroms folgenden Lampenstrom.

Damit der Lampenstrom Ie möglichst rasch seine Richtung ändert, müssen sich die Umschaltzeiten der jeweils paarweise leitenden Schalttransistoren 4, 7 und 5, 6 derart überschneiden, daß beide Transistorpaare für einen kurzen Augenblick gleichzeitig leitend sind und so die regelbare Gleichstromquelle 20 als auch die Gasentladungslampe 8 kurzschließen (siehe Fig. 3). Das bedeutet, daß das Transistorpaar 4, 7 noch leitend gehalten wird, während bereits das Transistorpaar 5, 6 aus dem sperrenden Zustand in den leitenden Zustand gesteuert wird.

Das Verhalten der Transistorpaare 4, 7 und 5, 6 1st 1n Fig. 3 dargestellt. Fig. 3 zeigt zwei übereinander gelegte Impulsdiagramme für eine symmetrische Ansteuerung der paarweise leitenden Transistoren 4, 7 und 5, 6. Man erkennt, daß die Transistorpaare 4, 7 und 5, 6 während einer Zeltspanne ti + tu leitend sind und während einer Zeitdauer ti - tu sperren. Ein vollständiger

Schaltzyklus dauert demnach eine Zeitspanne von 2ti. Damit sich die Umschaltbereiche der Transistorpaare 4, 7 und 5, 6 für einen kurzen Augenblick tu überlappen können, sind die Steuerimpulse für die Transistorpaare 4,7 und 5, 6 zeitlich um ti gegeneinander versetzt. Selbstverständlich sind auch andere AnsteuerImpulse für die Transistorpaare 4, 7 und 5, 6 denkbar, Insoweit sie Überlappungen der Umschaltbereiche der Transistorpaare 4, 7 und 5, 6 gemäß der Erfindung bewirken.

Wird der elektronische Schalter 1 aus dem leitenden 1n den gesperrten Zustand gesteuert (siehe F1g. 4), so schaltet die Fre1laufd1ode 2 der regelbaren Gleichstromquelle durch. Während der Sperrphase des Transistors 1 arbeitet die Glättungsinduktivität als Stromquelle, die die in ihr gespeicherte magnetische Energie in einen nahezu linear abfallenden Strom gemäß F1g. 2 umwandelt. Der von der Freilaufdiode 2 durchgelassene Strom 1st in F1g. 5 gezeigt.

Der über den Wechselrichter 9 kurzzeitig kurzgeschlossene Lampenstromkreis hat nur wenig magnetische Energie gespeichert, so daß der Lampenstrom gemäß Fig. 6 rasch auf Null absinkt. Es kann nunmehr eine Umpolung des Wechselrichters erfolgen.

Sobald der Transistor 1 geschlossen 1st, sperrt die Freilaufdiode wieder, und es wird der Glättungsinduktivität 3 Energie zugeführt.

Mit Hilfe eines rechteckförmigen Strom mit stellen Flanken 1n dem Lampenstromkreis wird ein höherer Strahlerwirkungsgrad erzielt.

Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung der Sättigung des Eisens des Transformators 17 und zur Vermeidung der Entmischung der Zonen des Lichtbogens durch einen Gleichspannungsanteil besteht darin, die Transistorpaare 4, 7 und 5, 6 über die Steuereinrichtung 21 asymmetrisch anzusteuern, um so die Zeitdauer der positiven und negativen Halbwelle des Lampenstroms den Parametern der Gasentladungslampe anzupassen.

Je nach erforderlicher Leistung der Gasentladungslampe ist es denkbar, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nicht nur an ein Drehstromnetz, sondern bei niedrigeren Leistungen an ein einphasiges Wechselstromnetz anzuschließen. Dazu ist lediglich der Drehstromgleichrichter durch einen geeigneten Gleichrichter zu ersetzen.

Ferner können als Schalttransistoren für den Wechselrichter und den Stelltransistor auch andere geeignete Halbleiterschalter verwendet werden.

Obwohl die Erfindung eine zentrale Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Wechselrichters, des Stel!transistors und des mechanischen Kontaktes vorschlägt, können für die einzelnen Schalteinrichtungen separate Steuereinrichtungen vorgesehen werden.

Claims

Schutzansprüche

1. Schaltungsanordnung zur regelbaren Speisung einer Gasentladungslampe hoher St rah1ungs1e istung

mit einer regelbaren Gleichstromquelle (20),

mit einem der regelbaren Gleichstromquelle (20) nachgeschalteten, aus vier elektronischen Schaltern (4 bis 7) bestehenden Wechselrichter (9), der die

Gasentladungslampe (8) mit einem Wechselstrom speist und

eine Brückendiagonale zum Anschluß der Gasentladungslampe (8) aufweist, mit einer Steuereinrichtung (21), die den Wechselrichter (9) umschaltet, dadurch gekennzeichnet,

daß die regelbare Gleichstromquelle (20),

einen Halbleiterschalter (1) als Steller,

eine Freilaufdiode (2) und

eine Glättungsinduktivität (3) aufweist,

daß sich die Umschaltzelten der jeweils paarweise leitenden elektronischen

Schalter (4 und 7, 5 und 6) derart überschneiden, daß für einen kurzen

Augenblick tu sowohl die regelbare Gleichstromquelle (20) als auch die

Gasentladungslampe (8) kurzgeschlossen sind,

daß der Halbleiterschalter (1) und der Wechselrichter (9) synchron mittels der Steuereinrichtung (21) angesteuer werden, derart, daß der

Halbleiterschalter (1) den Strom regelt und während des Querkurzschlusses

sperrt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die regelbare Gleichstromquelle (20) einen Glättungskondensator (10) aufweist, der für einen möglichst kleinen Strom am Eingang der regelbaren Gleichstromquelle (20) sorgt.

3. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Schaltungsanordnung zur Verhinderung von nach dem Kurzschließen der Transistoren (4 bis 7) auftretenden Überspannungen eine Schutzeinrichtung (11) aufweist, die mit einer Reihenschaltung aus einem Widerstand (12) und einer Diode (13) die Glättungsinduktivität (3) und den Halbleiterschalter (1) überbrückt.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch

eine vor die Gasentladungslampe (8) geschaltete Einrichtung (14, 15, 16)zur Unterstützung des Zündvorganges der Glasentladungslampe (8).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Unterstützungseinrichtung eine Reihenschaltung mit einem Widerstand (14) und einem Kondensator (15) ist, die entweder aus dem Wechselrichter (9) oder einer Hilfsspannungsquelle geladen wird, und daß die Unterstützungseinrichtung nach dem Zünden der Gasentladungslampe (8) mittels eines mechanischen Kontaktes (16) der von der Steuereinrichtung (21) betätigt wird überbrückt wird.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die Gasentladungslampe (8) über einen zwischengeschalteten Transformator (17) gespeist wird.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die paarweise leitenden elektronischen Schalter (4 bis 7) asymmetrisch gesteuert werden können.

41

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

daß die elektronischen Schalter (1, 4 bis 7) Transistoren sind.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung an ein Drehstromnetz (18) geschlossen 1st.