Stromnulldurchgangsgesteuerter Sperrwandler

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vorschal tgerät für eine Gasentladungslampe und insbesondere den in dem Vorschaltgerät verwendeten Sperrwandler, der den diesem nachgeschalteten Wechselrichter mit einer Gleichspannung versorgt.

Sperr.var.dler bestehen aus mindestens drei Bauteilen (vgl. Tietze, Schenk: " Halbleiterschal tυngstechnik", 9. Auflage, 1991, Seite 563 ff.), nämlich einem Leistungsschalter, einer Speicherdrossel und einem Glättungskondensator. Solche Schaltungen werden vorgesehen, um einem Wechselspannungsnetz einen möglichst sinusförmigen Strom zu entnehmen, wodurch in das Netz eingespeiste hochfrequente Störungen weitgehend vermieden werden sollen.

Bei den bisherigen Sperrwandlern werden durch abwechselndes Ein- und Ausschalten des Leistungsschalters dem Netz Pakete dreieckförmiger Stromimpulse entnommen (vgl. EP 0 268 043), die in der Speicherdrossel zwischengespeichert und während der Ausschaltzeitdauer an den Kondensator übertragen werden. Die Schaltfrequenz des Leistungsschalters wird dabei um ein Vielfaches höher gewählt, als die Frequenz der Netzspannung.

Nachteilig bei der bekannten Schaltungsanordnung ist einerseits die Ansteuerung des Leistungsschalters, die zum Zeitpunkt des größten durch den Schalter fließenden Stroms umschaltet, was zu hohen Schaltverlusten führt, andererseits verschieben diese dreieckförmigen Stromimpulse nach Fourier den Schwerpunkt des Frequenzspektrum der Stromimpulse in Richtung seiner hochfrequenten Anteile, die als Störungen ins Netz zurückstrahlen werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Sperrwandler anzugeben, dessen Schaltverluste-niedriger sind und dessen ins Netz zurückgestrahlen Störungen gering ausfallen, ohne aufwendige Filterschaltungen verwenden zu müssen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Vorschaltgerät mit freischwingendem Wechselrichter und Lastkreis;

Fig. 2a,b die Steuersignale für die beiden Schalter des Wechselrichters in schematisierter Form mit unbeeinflußtem Tastverhältnis,

Fig. 3a,b die Steuersignale für die beiden Schalter des Wechselrichters in schematisierter Form, wobei das Tastverhältnis eines Schalters verändert ist; und

Fig. 4 den Verlauf des durch den Schalter des Sperrwandlers fließenden Stroms.

Figur 1 zeigt den kompletten Aufbau eines erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts. Die Schaltung selbst wurde zur Erleichertung in fünf funktioneile Blöcke A-E aufgeteilt.

Block A zeigt eine Gleichrichterschaltung mit vier Dioden 301-304, die als Brückenschaltung angeordnet sind. Die an den Eingängen 305,306 der Gleichrichterschaltung anliegende Netzwechselspannung wird in eine gleichgerichtete Wechselspannung umgeformt. Die gleichgerichteten Netzhalbwellen am Ausgang des Gleichrichters A speisen einen Sperrwandler B, der an seinem Ausgang eine Gleichspannung zur Verfügung stellt, dessen Spannungswert zumeist über dem Spannungswert der Netzspannung liegt.

Zwischen den beiden Eingängen des Sperrwandlers B liegt eine Serienschaltung aus einer Spule 307, einem Schalter 308, vorzugsweise einem Transistor oder Feldeffekttransistor, und einem Kondensator 309. Parallel zu dem Kondensator 309 ist eine Spule 310 sowie eine Reihenschaltung aus einer Diode 311 und einem Kondensator 312, an dem die Ausgangsspannung des Sperrwandlers B abfallt, angeordnet. Auf im Sperrwandler B ferner enthaltenen Widerstände 315-317,331,332,350,351 wird später eingangen. ^~~

Wird der Schalter 308 leitend geschaltet, durchfließt diesen normalerweise ein sinusförmiger Strom, dessen Frequenz von der Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises, der durch die Spule 307 und den Kondensator 309 gebildet wird, bestimmt ist. Dabei werden diese Bauelemente so ausgewählt, daß die Resonanzfrequenz um ein Vielfaches höher liegt als die Netzfrequenz der

Eingangsspannung des Gleichrichters. Die maximale Amplitude des sinusförmigen Stroms wird durch die Güte des Serienschwingkreises definiert. Erfindungsgemäß möchte man jedoch nur halbsinusfδrmige, mit Abstand hintereinandergereihte Stromimpulse aus dem Netz entnehmen. Dies erfolgt mit Hilfe des Schalters 308, dessen Ansteuerung im folgenden anhand der Figur 4 beschrieben wird.

Zu einem Zeitpunkt tgi^ der i ^m folgenden noch definiert wird, wird der Schalter 308 geschlossen. Daraufhin fließt ein Strom durch die Spule 307 und den Schalter 308, der den Kondensator 309 auflädt. Sobald der Kondensator 309 vollständig aufgeladen ist, d.h. die an ihm abfallende Spannung und damit auch die gespeicherte Energie maximal ist, erreicht der den Schalter durchfließende Strom einen Wert von Null. Jetzt wird der Schalter 308 zum Zeitpunkt tj^US wieder geöffnet und der Stromfluß damit unterbrochen.

Der Zeitpunkt zum erneuten Einschalten des Schalters 308 wird so gewählt, daß der

Kondensator 309 während der Ausschaltphase des Schalters 308 seine Energie auf die zu ihm parallel angeordnete Spule 310 umladen kann. Während des Umladens sinkt die am Kondensator 309 abfallende Spannung Uj. Unterschreitet diese Spannung Uj einen vorgegebenen Wert oder ist sie Null, bedeutet das, daß die Kondensatorenergie umgeladen ist. Jetzt ist der Zeitpunkt t£jN erreicht, an dem der Schalter 308 wieder geschlossen wird und den Kondensator 309 erneut auflädt. Damit beginnt der eben beschriebene Vorgang von neuem.

Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, daß das untere Ende des Kondensators 309 positiv und das obere Ende des Kondensators 309 negativ ist, entsprechend dem positiven unteren Eingang und dem negativen oberen Eingang des Wechselrichters B.

Die als Energie-Zwischenspeicher dienende Spule 310 überträgt ihre Energie wiederum auf den parallel geschalteten Kondensator 312 über die Diode 311.

Zur Erzielung einer haben Resonanzfrequenz des Schwingkreises 307, 309 wird für den

Kondensator 309 eine kleine Kapazität ausgewählt. Aufgrund dieser kleinen Kapazität weist die daran abfallende Spannung Uj eine große Welligkeit auf, d.h. die

Glättungswirkung eines solchen Kondensators ist relativ gering. Dies ist der Grund dafür, daß Energie von dem Kondensator 309 über die als Zwischenspeicher di nende Spule 310 an den am Ausgang des Sperrwandlers B liegenden Kondensator 312 übertragen wird, dessen Kapazität sehr viel größer gewählt werden kann.

Der Sperrwandler B ist als invertierender Sperrwandler aufgebaut, was beduetet, daß die an seinem Ausgang anliegende Spannung die umgekehrte Polarität zu der an seinem Eingang anliegenden Spannung aufweist. Aus diesem Grund ist zwischen den Kondensator 309 und den am Ausgang liegenden Kondensator 312 die Diode 311 geschaltet.

Die Steuerung des Schalters 308 erfolgt durch eine Steuerschaltung 313, die in Block E angeordnet ist. Die Steuerschaltung 313 erhält über mehrere in der Schaltung ausgebildete Meßglieder entsprechende Istwert-Signale und ist mit dem Schalter 308 über eine Steuerleitung 314 verbunden.

Wie bereits erwähnt, entnimmt der Sperrwandler B dem Netz Pakte halbsinusförmiger Stromimpulse. Dazu wird der Schalter 308 geschlossen, wenn die Spannung Uj null wird oder einen bestimmten Spannungswert unterschreitet. Eine als Spannungsteiler aufgebaute Serienschaltung aus zwei Widerständen 315, 316, die parallel zum Kondensator 309 angeordnet ist, dient als Spannungsmeßglied, an dessen Mittelabgriff ein der Spannung UI proportionales Spannungssignal abfallt. Dies wird über eine Steuerleitung 335 an die Steuerschaltung 313 übertragen.

Die halbsinusfδrmigen aus dem Netz enmommenen Stromimpulse durchfließen einen in Serie zu dem Schalter 308 liegenden Widerstand 317, der als Strommeßglied dient. Das Strommeßglied ist mit der Steuerschaltung 313 über eine Leitung 318 verbunden und liefert der Steuerschaltung ein dem Strom proportionales Spannungssignal. Den Zeitpunkt t^us ^zum Öffnen des Schalters 308 erkennt die Steuerschaltung 313 an einem vom Strommeßglied 317 gelieferten Spannungssignal von Null, was auch einem den Schalter 308 durchfließenden Strom von Null entspricht.

Zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Meßgliedern ist am Eingang des Sperrwandlers B ein weiteres Spannungsmeßglied angeordnet, das aus zwei Widerständen 350, 351 besteht und mit der Steuerschaltung 313 verbunden ist. Das der Eingangsspannung des Sperrwandlers B proportionale Meßsignal dient zur Überwachung der Eingangsspannung. Sollte beispeilsweise die Amplitude dieser Spannung - bedingt durch Netzschwankungen - von einem vorgegebenen Soll -Wert abweichen, so kann die Steuerschaltung darauf reagieren und die Störung ausregeln.

Als weiteres Regelkriterium dient eine am Mittelabgriff eines aus zwei Widerständen 331, 332 gebildeten Spannungsteilers abfallende Spannung, die der Steuerschaltung 313

über eine Leitung 335 zugeführt wird. Die Serienschaltung aus den beiden Widerständen 331 , 332 liegt parallel zu dem Glättungskondensator 312. Die am Mittelabgriff dieser beiden Widerstände abfallende Spannung ist als ein Maß für die am Ausgang des Sperrwandlers B entstehende Gleichspannung.

Die am Ausgang des Sperrwandlers B anliegende Spannung speist einen sich anschließenden geschalteten Wechselrichter C. Dieser weist wie üblich zwei zwischen den Eingängen in Reihenschaltung angeordnete steuerbare Schaltelemente 319, 320, vorzugsweise Transistoren oder Feldeffekttransistoren, auf, die abwechselnd öffnen und schließen. Der Wechselrichter ist freischwingend. In den Steuerkreisen der Schalter 319, 320 sind Sekundärwicklungen 321, 322 eines Transformators angeordnet, dessen Primärwicklung 323 im Lastkreis D liegt. Abhängig vom Strom durch die Primärwicklung 323 des Transformators werden die Schalter 319, 320 abwechselnd geöffnet und gesperrt, so daß eine etwa rechteckfδrmige Spannung am Ausgang des Wechselrichters C entsteht. Im Gegensatz zum Stand der Technik, wird jedoch der Schalter 320 nicht direkt über die Sekundärwicklung 322 des Transformators gesteuert. Der normalerweise am Steuereingang des Schalters 320 liegende Ausgang der Sekundärwicklung 322 ist hier mit einem Eingang der Steuerschaltungen 313 verbunden, die ihrerseits über eine Steuerleitung 324 den Schalter 320 steuert.

Jeweils parallel zu den Sekundärwicklungen 321 bzw. 322 sind in Serie aber gegensinnig geschaltete Zenerdioden 337,338 bzw. 339,340 zum Schutz des Steuereingangs des Schalters 319 bzw. 320 vor zu hohen Spannungen angeordnet.

Der Lastkreis D für den Wechselrichter besteht aus der Gasentladungslampe 336 mit über einen Kondensator 326 in Serie geschalteten Heizwendeln. Die eine (untere) Heizwendel ist direkt mit dem Wechselrichter C verbunden. Die andere (obere) Heizwendel ist über die Serien Schaltung eines Trennkondensators 334, einer Spule 325 und die Primärwicklung der Gasentladungslampe mit dem Wechselrichter C verbunden. die Spule 325 und der Kondensator 326 bilden einen Serienschwingkreis.

Mit Hilfe der Steuerschaltung ist es möglich, die an der Gasentladungslampe 325 anliegende Spannung UL und damit deren Helligkeit zu variieren. Beim Stand der

Technik erfolgt ein solches Dimmen durch Verändern der Frequenz der am Ausgang des Wechselrichters C anliegenden Spannung, wodurch eine Spannungsänderung am im

Lastkreis angeordneten Serienschwingkreiskondensator 326 hervorgerufen wird. Bei einem freischwingenden Wechselrichter kann dagegen dessen Grundfrequenz nicht

gezielt verändert und zur Steuerung der Lampenhelligkeit (Dimmen) ausgenutz werden. Das Dimmen der Gasentladungslampe erfolgt hier stattdessen dadurch, daß di

Steuerschaltung 313 über die Steuerleitung 324 das Tastverhältnis des Schalters 32 beeinflußt, wodurch das Amplitudenverhältnis zwischen der Grundwelle und de höherfrequenten Oberwellen zugunsten der letzteren verschiebt. Da der im Lastkreis durch die Spule 325 und den Kondensator 326 gebildete Serienschwingkreis auf di

Grundfrequenz abgestimmt ist, sinkt durch Verändern des Tastverhältnisses bzw. de Impulsbreite des Wechselrichterausgangssignals die Spannung UL am Kondensator 32 und damit auch die Helligkeit der parallel zum Kondensator 326 angeordnete Entladungslampe 336.

In den Figuren 2 und 3 ist dieser Sachverhalt nochmals verdeutlicht. Die hier au Gründen der Schematisierung rechteckformig gezeichneten Steuersignale für die beide Schalter 319, 320 sind gegeneinander deart phasenverschoben, daß zu keinem Zeitpunk beide Schalter 319, 320 gleichzeitig geschlossen sind. Die Phasenverschiebung wir durch die gegensinnige Anordnung der Sekundärwicklungen 321, 322 erreicht. Di Ansteuerungssignale der ungedimmten Betriebsart sind in den Fig. 2a bzw. 2 dargestellt. Die Periode der rechteckfδrmigen Ansteuersignale beträgt T0, die sich au der "EIN"-Zeitdauer tl und der "AUS "-Zeitdauer t2 zusammensetzt. In den Fig. 2a un 2b sind tl und t2 im wesentlichen gleich groß.

Fig. 3a zeigt die Änderung des den Schalter 320 ansteuernden Signals. Da ursprüngliche Tastverhältnis tl/t2 hat sich nach t3/t4 verschoben, wobei t3 kleiner als t und t4 größer als t2 ist. Die Ansteuerung des anderen Schalters 319 ändert sich nich (vgl. Fig. 3b), da die Periode T0 des geänderten Signals (Fig. 3a) gleich bleibt.

Die Steuerschaltung 313 wertet für die Bildung des Steuersignals Informationen aus, di sie von verschiedenen Meßgliedern erhält. Eine Information erhält sie, wie bereit erwähnt, von der Sekundärwicklung 322 des im Lastkreis D angeordnete Transformators. Diese Information betrifft den Schaltzustand des Schalters 320.

Außerdem erfolgt eine Ist-Wert-Messung der Lampenspannung UL indem diese vo einem parallel zur Lampe 336 geschalteten Spannungsteiler 327, 328 abgenommen un der Steuerschaltung 313 zugeführt wird. Ein im Strompfad der Lampe angeordnete Widerstand 329 dient zudem als Strommeßglied und liefert ein dem Lampenstro proportionales Spannungssignal über die Steuerleitung 330 an die Steuerschaltung 313.

Mit Hilfe dieser Meßglieder kann durch entsprechendes Auswerten der entsprechenden Informationen auf Störeinflüsse, wie z.B. Netzspannungsänderungen, reagiert werden.

Zu erwähnen ist noch, daß sich - wie die Praxis gezeigt hat - mit der Beeinflussung des Tastverhältnisses auch die Frequenz des selbstschwingenden Systems ändert. Dies ist in den Fig. 2 und 3 nicht berücksichtigt.

Die Steuerschaltung 313, die beispielsweise als ASIC (Application Specific Integrated

Circuit) gefertigt sein kann, erlaubt darüber hinaus die Konstanthaltung der von der Gasentladungslampe 336 aufgenommenen Leistung, und zwar unabhängig davon, welcher Lampentyp (beispielsweise Argon oder Krypton, die stark unterschiedliche

Strom-/Spannungs-Charakteristiken haben), eingesetzt wird. Hierbei werden die Lampenspannung UL und der Lampenstrom II, wie zuvor beschrieben, gemessen, und in der Steuerschaltung 313 mit entsprechenden Sollwerten verglichen. Bei Abweichung des Ist-Werts vom Soll-Wert wird eine korrigierende Maßnahme getroffen, die beispielsweise durch Beeinflussung des Tastverhältnisses des Schalters 320 oder durch Regeln des Sperrwandlers B erfolgen kann.