VORSCHALTGERAT MIT GESCHALTETER INDUKTIVITÄT
Die Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät für eine Entladungslampe mit einer Gleichspannungsversorgungsstufe, hochfrequent getakteten Halbleiterschaltern zur Änderung der Stromrichtung durch die Entladungslampe, einer in Reihe zur Entladungslampe liegenden Drosselinduktivität und Entlastungsschaltungen für die Halbleiterschalter, die jeweils aus einem parallel zu dem Halbleiterschalter angeordneten Kondensator und einem antiparallel geschalteten Stromrichter bestehen.
Derartige Vorschaltgeräte sind bekannt und werden zur Steuerung von Entladungslampen, insbesondere Hochdruck-Entladungslampen, eingesetzt. Die Halbleiterschalter können dabei in einer Vollbrücke oder in einer Halbbrücke angeordnet werden. Für die Erzeugung der Gleichspannung wird dabei vorzugsweise ein Aufwärtswandler verwendet, der beispielsweise in der Lage ist, aus einer 220 V- Wechselspannung eine 370 V-Gleichspannung zu bilden, die für die Versorgung der Entladungslampe verwendbar ist.
Die Umkehr der Stromrichtung durch die Entladungslampe erfolgt durch die Anordnung der seriellen Drosselinduktivität in Verbindung mit einem Serienkondensator. Die Entlastungsschaltungen für die Halbleiterschalter dienen zur Vermeidung von Strom- und Spannungsspitzen beim Umschalten von einer Stromrichtung zur andern, wenn während eines kurzen Zeitintervalls der bisher offene Schalter noch offen ist und der bisher geschlossene Schalter geöffnet wird. Der Entlastungsstrom fließt dabei in die Entlastungskondensatoren über die Drosselinduktivität.
Ein Problem derartiger Vorschaltgeräte besteht dann, wenn ein ungewollter Leerlaufbetrieb entsteht, wenn beispielsweise die Entladungslampe ausgefallen oder noch gar nicht eingesetzt ist. Da die Entlastung in diesen Fällen nicht wirksam sein kann, besteht die Gefahr einer Zerstörung der Halbleiterschalter. Es muss daher bei den bekannten Vorschaltgeräten sorgfältig darauf geachtet werden, dass kein Leerlauf-Betrieb auftritt.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Vorschaltgerät der eingangs erwähnten Art so auszubilden, dass eine wirksame Entlastung auch im Leerlauf möglich ist, ohne den regulären Betrieb des Vorschaltgeräts zu beeinträchtigen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Vorschaltgerät der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass parallel zur Entladungslampe eine Serienschaltung einer Hilfsinduktivität und eines in Abhängigkeit von der Spannung der Entladungslampe schaltbaren Schalters angeordnet ist.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass die Spannung der Entladungslampe im nichtgezündeten Betrieb wesentlich höher ist als im gezündeten Betrieb. Demgemäß wird eine Spannungsdetektion der Spannung der Entladungslampe dazu verwendet, den in Serie mit der Hilfsinduktivität liegenden Schalter
zu schließen, um die Entlastung der Halbleiterschalter über die Hilfsinduktivität zu ermöglichen, wenn die Entladungslampe wegen eines Defekts nicht zündet oder gar nicht eingesetzt ist. Zündet hingegen die Entladungslampe, tritt im Lampenkreis ein Strom auf, der sensiert wird und den Schalter öffnet, sodass für den gezündeten Betrieb der Entladungslampe die Hilfsinduktivität unwirksam bleibt.
Die Hilfsinduktivität hat die Aufgabe, einen Mindeststromfluss durch die Halbleiterschalter zu gewährleisten. Dieser Strom ist wesentlich geringer als der Nennstrom im Betrieb der Lampe, sodass die Hilfsinduktivität einen etwa fünfmal so großen Wert wie die Hauptinduktivität annehmen kann. Der bauliche Aufwand für die Hilfsinduktivität kann jedoch geringer gehalten werden als für die Hauptinduktivität, da einerseits die Strombelastung wesentlich geringer ist und andererseits durch eine geeignete Steuerung die Induktivität nur kurzzeitig Strom führen muss.
Das erfindungsgemäße Vorschaltgerät wird vorzugsweise mit einer Steuerschaltung betrieben, die die Taktfrequenz der Halbleiterschalter in Abhängigkeit von einem detektierten Stromfluss durch die Entladungslampe steuert. Dabei wird ausgenutzt, dass die mit der Entladungslampe in Serie geschalteten Induktivitäten einen frequenzabhängigen Widerstand darstellen, sodass durch die Frequenzänderung eine Änderung des Widerstands - und damit des fließenden Stroms - erfolgt.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Die Zeichnung zeigt ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts.
An Klemmen 1 einer Netzspannung (220 V) ist eine Gleichspannungsversor- gungsstufe 2 in Form eines Aufwärtswandlers angeschlossen. Schematisch dar-
gestellt ist eine Gleichrichterbrücke 3, eine Längsinduktivität 4 und ein parallel geschalteter Schalter 5 und eine Diode 6 an einem positiven Ausgang der Gleich- spannungsversorgungsstufe 2. Die von der Gleichspannungsversorgungsstufe 2 auf zwei Ausgangsleitungen 7, 8 abgegebene Gleichspannung liegt über einem zwischen diesen Leitungen 7,8 geschalteten Glättungskondensator 9 in geglätteter Form an. Parallel zum Kondensator ist eine Serienschaltung aus zwei Halbleiterschaltern 10, 1 1 eingeschaltet. Die beiden Halbleiterschalter 10, 1 1 werden durch eine Steuerschaltung 12 alternierend mit einer Frequenz von 300 bis 400 kHz ein- und ausgeschaltet, wobei die Schaltfrequenz in Abhängigkeit von dem über den jeweils geschlossenen Halbleiterschalter 10, 1 1 fließenden, mit einem Stromsensor 13 gemessenen Strom geregelt wird, um so einen konstanten Strom zu erzeugen. Die die positive Gleichspannung führende Ausgangsleitung 7 ist über einen Kondensator 14 und einen Zündübertrager 15 mit einer Elektrode einer Entladungslampe 16 verbunden. Die andere Elektrode der Entladungslampe 16 ist über eine in Serie geschaltete Drosselinduktivität 17 mit einem Verbindungspunkt 18 zwischen den beiden Halbleiterschaltern 10, 1 1 verbunden. Der Kondensator 14 ist so dimensioniert, dass an ihm etwa die Hälfte der zugeführten Gleichspannung abfällt. Demzufolge liegt über der Entladungslampe 16 etwa die halbe Spannung an, die über dem Glättungskondensator 9 ansteht. Die Stromrichtungsumkehr durch die Entladungslampe 16, die durch die Halbleiterschalter 10, 1 1 herbeigeführt wird, führt zu einem nur geringen Anstieg oder Abfall dieser halben Spannung, die somit - abgesehen von geringen Schwankungen im Takt der Umschaltung der Halbleiterschalter 10, 1 1 - im Wesentlichen konstant bleibt. Geändert wird somit lediglich die Richtung des Stroms durch die Entladungslampe 16.
Zur Vermeidung von Schaltverlusten der Halbleiterschalter 10, 1 1 beim Öffnen des vorher geschlossenen Halbleiterschalters 10, 1 1 während der andere, vorher offene Halbleiterschalter 10, 1 1 zur Vermeidung eines Kurzschlussstroms für eine kurze Zeitdauer ebenfalls noch geöffnet ist, sind parallel zu den beiden Halbleiterschaltern 10, 1 1 Parallelschaltungen jeweils eines Kondensators 19 und
einer antiparallel geschalteten Diode 20 geschaltet. Der durch den geschlossenen zugehörigen Halbleiterschalter 10, 1 1 entladene Kondensator 19 lädt sich beim Öffnen des zugehörigen Halbleiterschalters 10, 1 1 auf und übernimmt so den beim Öffnen des Halbleiterschalters 10, 1 1 vom Halbleiterschalter 10, 1 1 geführten Strom der Drossel 17 zur Hälfte, sodass die Ausschaltverluste in diesem Halbleiterschalter 10, 1 1 wesentlich reduziert werden. Der parallel zum bisher geöffneten Halbleiterschalter 10, 1 1 geschaltete Kondensator 19 ist im Schaltzeitpunkt auf die Eingangsspannung aufgeladen und übernimmt die zweite Hälfte des Stroms, wodurch er entladen wird, sodass das anschließende Einschalten dieses Halbleiterschalters 10, 1 1 spannungslos und damit verlustfrei erfolgt. Der Entlastungsstrom fließt im übrigen über den Lampenstromkreis, also die Drosselinduktivität 17, die Lampe 16, den Zündübertrager 15 und den Kondensator 14.
Für den Fall, dass die Lampe 16 defekt ist und nicht zündet oder versehentlich gar nicht in die zugehörige Fassung eingesetzt worden ist, kann der Entlastungsstrom somit nicht fließen.
Um dennoch eine wirksame Entlastung der Halbleiterschalter 10, 1 1 sicherzustellen, ist parallel zu der Anordnung aus Lampe 16 und Zündübertrager 15, also zwischen Schaltungspunkten 26, 27, eine Hilfsinduktivität 21 in Serie mit einem Schalter 22 eingeschaltet.
Der Schalter 22 wird, gesteuert durch geeignete Sensoren, geschlossen, sobald sich die Spannung zwischen den Schaltungspunkten 26 und 27 einer Leerlaufspannung von etwa 185 V nähert. Dadurch fließt über die Hilfsinduktivität 21 ein Strom, der die oben beschriebene Umladung der den Halbleiterschaltern 10, 1 1 parallel geschalteten Kondensatoren 19 an Stelle des Lampenstroms gewährleistet. Der Schalter 22 wird geöffnet, sobald ein Lampenstrom einer bestimmten Größe sensiert wird.
Damit ist sichergestellt, dass im normalen Betrieb der Lampe 16 die Funktion des Vorschaltgeräts durch die Hilfsinduktivität nicht verändert wird, sondern dass die Hilfsinduktivität 21 nur unter Leerlaufbedingungen zur Erzeugung des Entlastungsstroms wirksam wird.
Parallel zu der Anordnung aus Zündübertrager 15 und Lampe 16 ist ferner ein Schalter 23 in Serie mit einer Parallelschaltung aus einem Kondensator 24 und einem Widerstand 25 geschaltet. Diese Schaltung dient zur Unterstützung der Zündung der Lampe 16.
Die zwischen den Ausgangsleitungen 7, 8 anstehende Gleichspannung wird über den Kondensator 14, der sich auf die Hälfte der Gleichspannung auflädt, abgetrennt. Dadurch nimmt die Amplitude der zwischen den Schaltungspunkten 26, 27 auftretenden Wechselspannung ebenfalls nur den halben Wert der Gleichspannung an. Die Größe dieser Spannung gewährleistet keine sichere Zündung der Lampe 16.
Zur Unterstützung der Zündung wird der Schalter 23 für den Zündvorgang geschlossen. Der Kondensator 24 bildet mit der Drosselinduktivität 17 einen Schwingkreis und ist so dimensioniert, dass die Resonanzfrequenz des Schwingkreises aus Drosselinduktivität 17 und Kondensator 24 auf einer höheren Harmonischen der Schaltfrequenz der Halbleiterschalter 10, 1 1 liegt. Dadurch addiert sich zu der zwischen dem Verbindungspunkt 18 und dem Schaltungspunkt 27 anstehenden Rechteckspannung der Halbleiterschalter 10, 1 1 eine Oberschwingungsspannung der Drossel 17, sodass die für eine sichere Ausbildung des Lichtbogens unmittelbar nach der Zündung der Lampe 16 erforderliche Spannungsamplitude erreicht wird.
Die Abstimmung des aus Drosselinduktivität 17 und Kondensator 24 gebildeten Serienschwingkreises auf eine höhere Harmonische, vorzugsweise die fünfte Harmonische, bietet in Verbindung mit der Dämpfung durch den Parallelwider-
stand 25 die Gewähr, dass die Halbleiterschalter 10, 1 1 nicht mit einem Überstrom belastet werden, wie dies der Fall wäre, wenn der Schwingkreis aus Drosselinduktivität 17 und Kondensator 24 auf die Resonanzfrequenz der Umschaltfrequenz der Halbleiterschalter 10, 1 1 direkt eingestellt wäre.
Es ist nicht ausgeschlossen, dass für bestimmte Ausführungsformen der Erfindung andere Oberwellen als die fünfte Oberwelle verwendbar sind, beispielsweise die dritte Oberwelle. Kriterium für die Auswahl der Oberwelle ist die sichere Einstellung der gewünschten Spannungserhöhung ohne die Gefahr der Belastung der Halbleiterschalter 10, 1 1 durch Überstrom.
Nicht dargestellt ist in dem schematischen Schaltbild die Möglichkeit einer Abschaltung des gesamten Vorschaltgeräts, wenn die Stromflussmessung, beispielsweise mit dem Sensor 13, ergibt, dass die Leerlaufbedingung für eine gewisse Mindestperiode, beispielsweise von einigen Sekunden, anhält. Demzufolge ist es möglich, die Hilfsinduktivität 21 vom Bauvolumen her klein zu dimensionieren, da sie nur für eine begrenzte Zeit die Entlastungsfunktion ausüben muss.