DE3432266A1

DE3432266A1 - Elektronisches vorschaltgeraet fuer fluoreszenzlampen sowie verfahren zu dessen betrieb

Info

Publication number: DE3432266A1
Application number: DE19843432266
Authority: DE
Inventors: Friedrich El.-Ing. HTL Mitlödi Werfeli
Original assignee: F Knobel Elektro Apparatebau AG
Current assignee: F Knobel Elektro Apparatebau AG
Priority date: 1983-09-06
Filing date: 1984-09-01
Publication date: 1985-03-21
Also published as: CH663508A5

Description

Elektronisches Vorschaltgerät für Fluoreszenzlampen sowie Verfahren zu dessen Betrieb Die Erfindung betrifft ein elektronisches Vorschaltgerät mit gesteuertem Wechselrichter, für den Betrieb einer oder mehrerer Fluoreszenzlampen sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb.
Bekannt sind solche Vorschaltgeräte z.B. aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 31 12281 Al sowie aus den Europäischen Patentanmeldungen EP 0 059 064 Al und 0 075 176 A2.
Elektronische Vorschaltgeräte für Entladungslampen betreiben in dieser Anwendung Fluoreszenzlampen mit Frequenzen vorzugsweise oberhalb 10 kHz. Damit wird um ca.
10 % erhöhte Lichtausbeute im Vergleich zum 50 Hz-Betrieb erreicht. Ferner sind flackerfreier Start und Betrieb gewährleistet. Aus wirtschaftlichen Gründen werden elektronische Vorschaltgeräte oft für gleichzeitigen Betrieb von zwei und mehr Fluoreszenzlampen ausgelegt. Die Zündspannung der Fluoreszenzlampen liegt meistens wesentlich oberhalb der Brennspannung der GasentLadung. Diese Spannungsüberhöhung wird mit einem Serieresonanzkreis, betrieben nahe oder auf Resonanzfrequenz, erzeugt. Der Resonanzkreisstrom durchfliesst zugleich die Kathoden der Fluoreszenzlampen, bewirkt deren Erwärmung und verbessert damit die Zündfähigkeit der Lampe. Der induktive Teil dieses Kreises dient im an die Zündung anschliessenden Wechselstrombetrieb als Strombegrenzung.
Ist nun eine Fluoreszenhlatnpe nicht mehr betriebsfähig, weil Emmissionsmaterial von den Kathoden abgetragen wurde oder die Fluoreszenzlampe nicht mehr gasdicht ist, so steigt der Kathodenstrom zwangsläufig auf einen wesentlich erhöhten Wert, da der betreffende Serieresonanzkreis entdämpft ist. Diese Stromerhöhung führt ohne besondere-Massnahmen nach kurzer Zeit zur Ueberlastung oder Zerstörung des Wechselrichters.
Heute bekannte Lösungen werden mit Schmelzsicherungen oder thermischer Ueberlastsicherung oder elektronischer Spitzenstrombegrenzung mit "fall back" Eigenschaften ausgerüstet. Damit schaltet ein elektronisches Vorschaltgerät, das zugleich mehrere Fluoreszenzlampen speist, zwangsläufig auch noch intakte Lampen ab. Beim Lampenwechsel ist nun nicht mehr unmittelbar ersichtlich, welche Fluoreszenzlampe defekt und welche stromlos ist. Ferner starten die Geräte auch nach Auswechseln aller Lampen nicht mehr, bevor die Schme-lzsicherung ersetzt, die thermische Sicherheit manuell oder nach Abkühlung zurückgestellt oder die "fall back"-Elektronik durch Netzunterbruch z.B. am Lichtschalter mit Reset-Information zurückgestellt wird.
Zeitverzögerte, selbsttätig zurückfallende Ueberstromsicherungen bewirken periodisch neue Startversuche; die Fluoreszenzlampen arbeiten damit im unerwünschten Blinkbetrieb. Dieser für das Auge unangenehme Blinkbetrieb sowie die unkontrolliert einsetzende Zündung der Fluoreszenzlampe bei Betrieb nahe oder auf der Serieresonanzfrequenz bewirken frühzeitigen Abbau des Kathodenmaterials und damit reduzierte Lampenlebensdauer.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vorschaltgerät zu schaffen, welches die erwähnten Nachteile nicht oder nur in vermindertem Masse aufweist. Dies wird erreicht durch eine Ueberwachungseinrichtung, ausgestaltet mindestens zur Erkennung des Lampenzustandes und eine Steuereinrichtung zur Frequenzsteuerung des Wechselrichters, wobei die Steuereinrichtung durch eine erste Zustandsmeldung aus der Ueberwachungseinrichtung in eine Startposition bringbar ist, falls keine Lampe betrieben werden kann und durch eine zweite Zustandsmeldung zur Steuerung des Lampenzündablaufs startbar ist.
Ferner wird ein Verfahren zum Betrieb des Vorschaltgerätes gezeigt, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass beim Einschalten der Netzspannung der Wechselrichter durch die Steuereinrichtung aus der Startstellung mit in Richtung auf die Resonanz frequenz des Lampenserieresonanzkreises ändernder Frequenz und nach erfolgter Zündung mindestens einer Lampe mit deren Brennfrequenz betrieben wird, wobei bei einer ersten Zustandsmeldung, welche anzeigt, dass keine Lampe betrieben werden kanr die Startposition eingenommen wird und wobei bei einer zweiten Zustands meldung erneut der Betrieb mit vorgesehenem Zündablauf aufgenoren wir Das vorliegende Vorschaltgerät vermeidet die obenerwähnten Nachteile, indem es nach jeder Lampenmanipulation, die zu einer Zustandsmeldung führt, automatisch ohne zusätzliche Informationen und Handgriffe wieder auf Betrieb schalten kann, d.h. nach Ersatz einer defekten Lampe brennt diese ohne weiteres, d.h. ohne Ein/Ausschalten des Netzes wieder.
Bei einer bevorzugten Ausführungsart wird auch mindestens ein Wechselrichterparameter überwacht. Damit kann z.B. die Temperatur der Leistungstransistoren des Wechselrichters überwacht werden, wobei bei Ueberschreitung derselben direkt die Leistungsstufe des Wechselrichters gesperrt werden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsart liegt die Brennfrequenz unterhalb der Resonanzfrequenz des Serieresonanzkreises. Damit ist ein besonders stromsparender Betrieb möglich, da damit die nicht in Licht umgewandelte Verlustleistung in den Kathoden minimalisiert wird.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Darin zeigen: Fio. 1 ein Blockschaltungsdiagramm eines erfindungsgemässen Vorschaltgerätes für zwei Lampen; Fig. 2 ein Strom/Frequenz-Diagramm; Fig. 3 ein Zustandsdiagramm der Steuereinrichtung.
In Figur 1 ist das Blockschaltbild eines Vorschaltgerätes mit den beiden Lampen 1 und 2 gezeigt. Die Netzwechselspannung wird durch den Gleichrichter 17 gleichgerichtet und durchkden grundsätzlich auf bekannte Weise aufgebauten Wechselrichter in eine Wechselspannung mit steuerbarer Frequenz gewandelt. Das Filter 16 vermindert die Rückspeisung hochfrequenter Störungen in das Netz. Als Schalter für den Wechselrichter sind bei der gezeigten Ausführungsart MosFet Transistoren 20 eingesetzt, welche über einen Treibertransformator 19 von einem gesteuerten Oszillator 13 angesteuert werden. Zwischen den Treibertransformator und die jeweiligen Gates der Transistoren 20 sind Glieder 18 geschaltet, welche die Schaltzeiten der Transistoren im Hinblick auf langsame Einschaltflanken und schnelle Abschaltflanken beeinflussen. Dadurch wird es ermöglicht, den Wechselrichter im Mehrfrequenzbetrieb bei induktiver und kapazitiver Last zu betreiben und mit der Wechselrichterfrequenz über den Serieresonanzbereich der Begrenzerdrossel 5 und des Kondensators 4 zu fahren, ohne dass die Schalttransistoren beschädigt werden. An den Wechselrichter sind im gezeigten Beispiel zwei Fluoreszenzlampen 1 und 2 angeschlossen. Dabei sind die Elektroden der Lampen in Serie mit dem entsprechenden Serieresonanzkreis aus Begrenzungsdrossel 5 bzw. 6 und Kondensator 3 bzw. 4 geschaltet. Zur Ueberwachung des Lampenbetriebes weist jede Begrenzungsdrossel 5,6 eine Messwicklung 7,8 auf. Damit kann der Lampenzustand erfasst werden, z.B. ob überhaupt eine Lampe eingesetzt ist, gezündet hat oder gewechselt wurde. Dazu werden die Signale aus diesen Messwicklungen 7,8 an zwei als Blöcke dargestellte Ueberwachungsschaltungen 9 bzw. 10 angelegt. Die erste Ueberwachungsschaltung 9 bildet zusammen mit der Ablaufsteuerung 12 eine Zündüberwachung für die Lampen; die zweite Ueberwachungsschaltung 10 kann als Hantierungsüberwachung bezeichnet werden, da sie feststellt, ob ein Lampenwechsel stattgefunden hat. Die Zündüberwachung stellt aus dem Signal der Messwicklung 7 bzw. 8 fest, ob bei der Zündfrequenz fz Z der L/C-Serieresonanzkreis aus der Drossel 5 bzw. 6 und dem Kondensator 3 bzw. 4 ohne merkbare Dämpfung durch die Fluoreszenzlampe schwingt, was bei einer nicht gezündeten Lampe der Fall ist oder ob durch den parallel zum Kondensator 3 bzw. 4 liegenden Widerstand der gezündeten d.h. brennenden Lampe eine Dämpfung erfolgt. Die entsprechende Meldung wird von der Ablaufsteuerung bei der Zündfrequenz f von der Zündüberwachung 9 abgefragt.
Die Ablaufsteuerung 12 bestimmt die Frequenz des Oszillators 13 und damit die Frequenz des Wechselrichters. Dadurch kann nach Erkennung der Zündung die Lampenbrennfrequenz fig B durch die Ablaufsteuerung auf den gewünschten Wert gesteuert werden.
Die zweite Ueberwachungsschaltung 10 stellt als Stromschwellwertschalter fest, ob ein gewisser minimaler Lampenstrom fliesst und kann dadurch erkennen, ob eine Lampe eingesetzt ist, d.h. ob eine Lampe gewechselt wurde oder nicht. Auch diese Ueberwachungsschaltung ist signalmässig mit der Ablaufsteuerung 12 verbunden. Diese Ueberwachungsschaltung kann auch zur Erkennung des Ausfalls einer Fluoreszenzlampe bei der Betriebsfrequenz ausgelegt werden, da dabei nur noch ein geringer Strom fliesst.
Als weitere Ueberwachungsschaltung 11 ist eine Temperaturüberwachung für die Schalttransistoren des Wechselrichters vorgesehen sowie eine Spannungsüberwachung 15, welche Ueber- und Unterspannungen der Netzwechselspannung erkennt.
Die Ablaufsteuerung ist als synchrone Digiralschaltung aufgebaut und wird vom Taktgeber 14 getaktet.
Sie weist bei diesem Ausführungsbeispiel vier Eingänge für die Zustandsmeldungen der genannten Ueberwachungsschaltungen auf und einen Ausgang zur Steuerung des Oszillators 13.
Der Betrieb und weitere Merkmale der Vorrichtung können anhand von Fig. 2 und Fig. 3 beschrieben werden.
Beim Anlegen der Netzspannung und sofern deren Wert von der Spannungsüberwachung 15 als zulässig erkannt wird, steuert die Ablaufsteuerung 12 den Wechselrichter in die Startposition, d.h. mit der Startfrequenz f5, welche etwa 75 kHz beträgt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Start- frequenz als soweit oberhalb der Resonanz frequenz des L/C-Serieresonanzkreises liegend gewählt, dass der Strom durch die Lampenelektroden und auch die Lampen spannung gering sind. Eine Zündung der Lampe bei der Startfrequenz ist deshalb nicht möglich. Nach einer kurzen Zeitspanne, welche hier als etwa 10 ms gewählt ist, wird der Frequenzwert auf die Heizfrequenz fH erniedrigt, welche etwa 43 kHz beträgt. Dabei findet eine lampenschonende Vorheizung der Elektroden statt. Durch diese Vorheizung sollte vor der Zündung ein Elektrodentemperaturwert erreicht werden, durch den eine maximale Lebensdauer der Lampe gewährleistet ist, d.h. dass vom Elektrodenmaterial nur soviel verdampfen sollte als unbedingt nötig. In der Regel sollten die Elektroden dabei vor der Zündung heisser als 5000C sein. Die.Heizfrequenz wird etwa 0,4 s beibehalten und anschliessend erfolgt eine weitere Erniedrigung der Frequenz in Richtung Resonanz frequenz auf den Wert der Zündfrequenz, bei etwa 38 kHz. Bei der Zündfrequenz sind Strom und Spannung im Serieresonanzkreis soweit erhöht, dass zündfähige Lampen sofort starten. können. Die Dauer des Betriebes bei der Zündfrequenz ist ebenfalls zeitlich begrenzt und beträgt etwa 1 s, womit sie derart gewählt ist, dass bei dem jetzt start erhöhten Heizstrom eine noch schwache aktive Lampe innerhalb einer gewissen Sicherheitszeit starten kann.
Haben innerhalb dieser Zeit beide Lampen gezündet, was von der Ueberwachungsschaltung 9 und der Ablaufsteuerung 12 erkannt worden ist, so wird der Wechselrichter von der Ablaufsteuerung auf die Brennfrequenz fig B von etwa 25 kHz gesteuert. Diese liegt damit beim beschriebenen Beispiel unterhalb der Resonanz frequenz des L/C-Serieresonanzkreises. Die Wechselrichterfrequenz überstreicht dabei nach der Zündung der Lampen die Resonanz frequenz fR und geht in Richtung kapazitiven Betrieb bei fB. Beim Lampenbetrieb bei f ist der durch den Kondensator 3 bzw.
B 4 fliessende Strom gering, was die nicht in Licht umge- setzte Verlustleistung in den Elektroden minimalisiert.
Hat nur eine der Lampen gezündet, so wird der Wechselrichter von der Ablaufsteuerung ebenfalls auf die Brennfrequenz fB gesteuert. Trotzdem die andere Lampe deaktiviert ist oder einen Stromkreisunterbruch aufweist, brennt die andere Lampe mit nominellem Strom, da die Betriebsfrequenz soweit von der Resonanzfrequenz fR entfernt liegt, dass in Kreisen mit deaktivierten Lampen keine unzulässig hohen Ströme fliessen. Zugleich sinkt die Betriebsspannung in deaktivierten Lampen auf eine den Sicherheitsvorschriften entsprechenden Wert.
Wird nun die deaktivierte Lampe durch eine andere Lampe ersetzt, so entspricht dies einer Lampenmanipulation, welche von der Hantierungsüberwachungsschaltung 10 erkannt wird. Eine Zustandsmeldung der Schaltung 10 wird von der Ablaufsteuerung erkannt und veranlasst diese in die Startposition zu gehen. Der bisher beschriebene Ablauf beginnt erneut mit der Startfrequenz fs und führt zur Zündung der neu eingesetzten Lampe, sofern sie funktionstüchtig ist. Auch die bisher brennende Lampe wird beim Ersetzen der deaktivierten Lampe neu gestartet.
Hat keine Lampe gezündet, was von der Zündüberwachung 9 erkannt wurde, geht die Ablaufsteuerung 9 in die Startposition. Dies erfolgt auch durch eine Zustandsmeldung für Uebertemperatur der Transistoren. In der Startposition wird nun mittels der Ueberwachungsschaltungen und der Ablaufsteuerung der Lampenzustand bei der Startfrequenz f 5 abgefragt. Zeigt dann eine zweite Zustandsmeldung, dass eine Lampe gewechselt wurde, erfolgt ein neuer Ablauf zur Zündung der Lampen, beginnend mit der Startfrequenz f 5 Zur Verminderung der Verlustleistung in der Startposition ist dabei die Leistunsstufe des Wechselrichters die meiste Zeit passiv. Ist das Netz eingeschaltet und keine Lampe eingesetzt oder beide Lampen deaktiv, was die Startposition ergibt, so testet die Ablaufsteuerung nur zyklisch etwa alle 0,6 s die überwachten Stromkreise, indem der Wechselrichter für etwa 10 ms mit der Startfrequenz f betrieben wird. Wird dabei eine Aenderung des Lampenzustandes erkannt, veranlasst diese Zustandsmeldung die Ablaufsteuerung den Lampenstartvorgang bei der Startposition, d.h. bei der Startfrequenz f zu beginnen.
5 Figur 3 zeigt ein Zustandsdiagramm für die Ablaufsteuerung. 0 bedeutet "Netz aus", 1 bedeutet "Start" f5, 2 bedeutet "Heizen" H' 3 "Zünden" fZ, 4 "Brennen" fB und 5 "Bereitschaft" fS gepulst. Es ist erkennbar, dass das Vorschaltgerät aus jeder Betriebslage 1-4 in die Startposition 5 begibt, sofern keine Lampe betrieben werden kann, wodurch ein eindeutig definierter und lampenschonender Abfragebetrieb im Störfall sichergestellt ist. Veranlasst eine Zustandsänderung eine zweite Zustandsmeldung, beginnt das Gerät wieder beim Start, was einer automatischen Aufnahme des Betriebes nach Behebung einer Störung, z.B.
dem Wechseln einer defekten Lampe, entspricht. Ist auch nur eine Lampe von mehreren funktionsfähig, so wird diese vom Gerät normal betrieben und es erfolgen keine unnötigen Startversuche an den funktionsunfähigen Lampen. In Fig. 2 zeigt die Kurve 1 den ungedämpften Resonanzstrom.
Auf dieser Kurve wandert der Betriebspunkt von f ausge-5 hend bis zu f Bei der Zündung springt der Betriebspunkt auf die Kurve 2, welche den Strom bei gezündeter Lampe darstellt und wird nazh fig B verschoben. Erfolgt keine Zündung, wird von fz Z aus wieder nach fs zurückgefahren, bis nach Eintreffen einer zweiten Zustandsmeldung (Lampenwechsel) erneut auf die Kurve 1 zur Zündfrequenz gefahren wird.
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Claims

Patentansprüche Elektronische Vorschaltgerät mit gesteuertem Wechselrichter, für den Betrieb einer oder mehrerer Fluoreszenzlampen, gekennzeichnet durch eine Ueberwachungseinrichtung, ausgestaltet mindestens zur Erkennung des Lampenzustandes und eine Steuereinrichtung zur Frequenzsteuerung des Wechselrichters, wobei die Steuereinrichtung durch eine erste Zustandsmeldung aus der Ueberwachungseinrichtung in eine Startposition bringbar ist, falls keine Lampe betrieben werden kann und durch eine zweite Zustandsmeldung zur Steuerung des Lampenzündablaufs startbar ist.
2. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ueberwachungseinrichtung zur Erkennung des Lampenzustandes sowie mindestens eines Wechselrichterbetriebsparameters ausgestaltet ist, wobei bei Ueberschreitung dieses Parameters eine erste Zustandsmeldung erfolgt.
3. 'lektronisches Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ueberwachungseinrichtung zur Erkennung unzulässiger Netzspannungswerte ausgestaltet ist.
4. Elektronisches Vorschaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ueberwachungseinrichtung eine Zündüberwachungsschaltung (9), zur Abqabe einer ersten Zustandsmeldung aufweist.
5. Elektronisches Vorschaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ueberwachungseinrichtung eine Hantierungsüberwachungsschaltung (10) zur Abgabe einer zweiten Zustandsmeldung aufweist.
6. Elektronisches Vorschaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung eine Ablaufsteuerschaltung (12) und einen durch diese steuerbaren Oszillator (13) aufweist.
7. Elektronisches Vorschaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschalter (20) des Wechselrichters durch die Steuerschaltung mit endlich steil definierten Schaltflanken ansteuerbar sind.
8. Verfahren zum Betrieb des elektronischen Vorschaltgerätes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einschalten der Netzspannung der Wechselrichter durch die Steuereinrichtung aus der Startposition mit in Richtung auf die Resonanz frequenz des Lampenserieresonanzkreises ändernder Frequenz und nach erfolgter Zündung mindestens einer Lampe mit deren Brennfrequenz betrieben wird, wobei bei einer ersten Zustandsmeldung, welche anzeigt, dass keine Lampe betrieben werden kann, die Startposition eingenommen wird und wobei bei einer zweiten Zustandsmedung erneut der Betrieb mit vorgesehenem Zündablauf aufgenommen wird.
9. Verfahren zum Betrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter durch die Steuereinrichtung aus der Startposition mit einer Startfrequenz (f ), welche über der Resonanzfrequenz (f ) des Lampenresonanzkreises liegt und bei der keine Lampenzündung erfolgen kann, nach einer ersten vorgewählten Zeitspanne (Ts) bei einer tieferen Heizfrequenz (H welche die Lampenkathoden heizt und noch keine Lampenzündung ermöglicht, und nach einer vorgewählten zweiten Zeitspanne (TH) bei einer tieferen Zündfrequenz (fz), während einer dritten Zeitspanne (TZ) betrieben wird, welche die Zündung funktionsfähiger Fluoreszenzlampen ermöglicht, wobei von der Ueberwachungseinrichtung festgestellt wird, ob mindestens eine Lampe gezündet hat, worauf bei Zündung mindestens einer Lampe die Steuereinrichtung den Wechselrichter mit der Brennfrequenz (fB) und bei Zündung keiner Lampe in Startposition betreibt.
10. Verfahren zum Betrieb nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennfrequenz unterhalb der Resonanz frequenz (fR) ) des Lampenserieresonanzkreises liegt, wodurch die Kathodenverlustleistung minimalisiert wird.
11. Verfahren zum Betrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichet, dass der Frequenzbereich kontinuierlich durchlaufen wird, wobei beim Ueberfahren des Resonanzbereiches des Lampenserieresonanzkreises vom induktiven zum kapazitiven Betrieb die Leistungsschaltelemente des Wechselrichters mit strombegrenzenden, endlich steilen Schaltflanken angesteuert werden.
12. Verfahren zum Betrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter in der Bereitschaftsstellung deaktiviert ist und nur periodisch bei der Startfrequenz betrieben wird, zur Erfassung von Zustandsänderungen durch die Ueberwachungseinrichtung.
13. Verfahren zum Betrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennfrequenz (fB) soweit von der Resonanzfrequenz (kr) entfernt ist, dass in Kreisen mit deaktivierten Lampen keine unzulässig hohen Ströme fliessen und damit keine urzulässig hohen Verlustleistungen auftreten, wodurch die restlichen funktionsfähigen Lampen mit nominellem Strom brennen. Elektronisches Vorschaltgerät für Fluoreszenzlampen sowie Verfahren zu dessen Betrieb