DE3528549A1

DE3528549A1 - Elektronisches vorschaltgeraet fuer gasentladungslampen

Info

Publication number: DE3528549A1
Application number: DE19853528549
Authority: DE
Inventors: Dennis Coopersburg Pa. Capewell; David G. Macungie Pa. Luchaco
Original assignee: Lutron Electronics Co Inc
Current assignee: Lutron Electronics Co Inc
Priority date: 1984-08-17
Filing date: 1985-08-08
Publication date: 1986-02-27
Also published as: KR920007773B1; GB2163309A; US4663570A; FR2569327A1; KR870002745A; CA1254610A; GB2163309B; GB8519442D0

Description

Elektronisches Vorschaltgerät für Gasentladungslampen

Die Erfindung bezieht sich auf elektronische Vorschaltgerate für Gasentladungslampenlasten und insbesondere auf ein Vorschaltgerät, das eine Helligkeitssteuerung der Lampe ermöglicht, einen hohen Leistungsfaktor aufweist und wenig au fwend ig ist.

Elektronische Vorschaltgerate für Leuchtstoffoder ähnliche Gasentladungslampen sind gut bekannt. Die meisten elektronischen Vorschaltgerate betreiben die Lampen bei einem festen Ausgangspegel, der im allgemeinen mit dem Pegel vergleichbar ist, der mit der Lampe erzielt werden kann, wenn diese an normalen Netzfrequenz -Vor schal tgeräten betrieben wird. Der Vorteil einer derartigen Anwendung ergibt sich aus dem höheren Lampenwirkungsgrad bei Frequenzen, die beträchtlich höher als die normalen Netzfrequenzen von 50 oder 60 Hz sind. Der Betrieb mit höheren Frequenzen ermöglicht damit die Erzielung der gleichen Lichtleistung mit einer geringeren Eingangsleistung an die Lampe, als dies bei der Netzfrequenz möglich ist. Alternativ ist es möglich, eine größere Lichtlei-

stung mit der gleichen elektrischen Eingangsleistung zu erzielen. Wenn in geeigneter Weise niedrige Verluste in dem Hochfrequenz-Vorschaltgerät erzielt werden können, so können sich bedeutende Energieeinsparungen ergeben, insbesondere im Fall von Leuchtstofflampen, bei denen die verringerte Systemenergie zu Systemenergieeinsparungen von mehr als 20 % führen kann.

Es sind weiterhin elektronische Vorschaltgeräte bekannt, die eine Helligkeitsverringerung oder Helligkeitssteuerung der Gasentladungslampen-Lichtleistung ermöglichen. Die Möglichkeit der Steuerung der Lichtausgangsleistung kann in Verbindung mit dem wirkungsvolleren Lampenbetrieb, der bei höheren Frequenzen möglich ist, sehr erhebliche Energieeiftsparungen ermöglichen, wenn geeignete automatische Steuereinrichtungen verwendet werden. Die Einsparungen, die mit derartigen eine Helligkeitssteuerung ermöglichenden Hochfrequenz-Gasentladungslampen -Vorschal tgeräten erzielt werden können, können leicht 50 % verglichen mit ungesteuerten Netzfrequenz-VorSchaltgerätesystemen übersteigen.

Energieeinsparungen dieser Größenordnung machen derartige Systeme sehr wünschenswert, doch sind elektronische Vorschaltgeräte bisher nicht in wesentlichem Ausmaß in Betrieb genommen worden, wenn ihre Anzahl mit der Anzahl von Lampen verglichen wird, die weiterhin ungesteuerte Netz-

frequenz-Vorschaltgeräte verwenden. Die Gründe hierfür schließen folgendes ein:

Kosten, Empfindlichkeit gegenüber Beschädigungen aufgrund von Fehlverdrahtungen oder von fehlerhaften Einschaltvorgängen von Steuerelementen, komplizierte magnetische Strukturen, ein schlechter Leistungsfaktor und ein begrenzter Steuerbereich.

Die hohen Kosten stellen einen wesentlichen Grund dar, der die Einführung der elektronischen Helligkeitssteuerungs-Vorschaltgeräte behindert hat. Netzfrequenz-Vorschaltgeräte wurden nahezu über 50 Jahre hinweg hergestellt und sind vom Kostenstandpunkt her gesehen sehr stark optimiert. Weiterhin sind weniger einzelne Bauteile bei Netzfrequenz-Vorschaltegeräten erforderlich, als bei vorhandenen Hochfrequenz-Vorschaltgeräten. Daher waren die elektronischen Hochfrequenz-Vorschaltgeräte aufgrund ihrer Eigenart kostspieliger als Netzfrequenz-Vorschaltgeräte .

Die große Anzahl von Bauteilen und ihre Empfindlichkeit gegenüber Beschädigungen verringert die Zuverlässigkeit von elektronischen Vorschaltgeräten. Netzfrequenz-Vorschaltgeräte sind besser in der Lage, außerordentlichen Beanspruchungen zu widerstehen, die insbesondere dann auftreten können, wenn ein Fehlverdrahtungszustand während des Einbaus auftritt. Obwohl ein Netzfrequenz-Vorschaltgerät einen kurzge-

schlossenen Ausgang für viele Minuten aushalten kann, fallen elektronische Vorschaltgeräte unter den gleichen Bedingungen üblicherweise sofort aus. Dies verringert nicht nur die System-Zuverlässigkeit, sondern macht es auch schwierig, Sicherheitsforderungen zu erfüllen, wie sie beispielsweise von amtlichen Stellen, wie den Underwriters Laboratories festgelegt wurden.

Viele bekannte Vorschaltgeräte verwenden zwei oder mehr Leistungshalbleiterelemente in den Wechselrichter- oder Inverterschaltungen. Weil diese Halbleiterbauelemente in vielen Fällen eine erhebliche Verlustleistung aufweisen, werden sie bei erhöhten Temperaturen betrieben, was ihre Zuverlässigkeit wesentlich verringert. Weiterhin sind diese Bauelemente relativ kostspielig, sowohl hinsichtlich ihrer Beschaffung als auch ihrer Befestigung in dem Vorschaltgerät. Es ist daher wünschenswert, die Anzahl derartiger Halbleiterbauelemente soweit wie möglich zu verringern, um eine maximale Zuverlässigkeit und niedrigere Kosten zu erzielen. In vielen Fällen ergibt die Verwendung von zwei derartigen Halbleiterbauelementen die Möglichkeit von momentanen katastrophalen Ausfallbetriebsarten, wenn z.B. beide Halbleiterbauelemente gleichzeitig einen Strom leiten, anstelle einer abwechselnden Stromleitung, die üblicherweise beabsichtigt ist. Weil es sehr gut möglich ist, daß elektronische Störungen oder andere unerwartete Vorfälle ei-

ne momentane gleichzeitige Leitfähigkeit hervorrufen, stellt dies eine weitere Gefahr für die Zuverlässigkeit in Schaltungen dar, die mehrere Halbleiterleistungselemente verwenden.

Ein weiterer üblicher Nachteil bekannter elektronischer Vorschaltgeräte besteht in der Verwendung einer größeren Anzahl von magnetischen Strukturen oder komplizierten magnetischen Strukturen. Diese sind erforderlich, um nachteilige Eigenschaften, wie z.B. einen schlechten Leistungsfaktor zu verbessern oder um die Gesamtzahl von erforderlichen elektronischen Bauteilen zu verringern. Obwohl diese Ergebnisse wünschenswert sind, verringert die Einführung komplizierter magnetischer Bauteile die Herstellbarkeit des Vorschaltgerätes. Obwohl die Bauteile selbst bei höheren Frequenzen kleiner sind, erfordert diese geringe Größe eine größere Präzision bei der Herstellung. Die hohen Frequenzen, bei denen diese magnetischen Bauteile verwendet werden, erfordern in vielen Fällen die Verwendung spezieller Materialien und Kernformen, was dazu führt, daß das Vorschaltgerät schwieriger herzustellen und damit aufwendiger ist.

Ein weiterer allgemeiner Nachteil bekannter elektronischer Vorschaltgeräte besteht in dem schlechten Leistungsfaktor. Dies ergibt sich aus der Verwendung einer stark gefilterten Zweiweg-Brückengleichrichter-Leistungsversorgung mit einem großen Elektrolyt-Filterkondensator, der erforderlich ist, um eine Gleich-

spannung an den Hochfrequenz-Inverter zu liefern, der bei all diesen Vorschaltgeräten zu finden ist. Stark gefilterte Leistungsversorgungen dieser Art entnehmen der Netzleitung einen relativ großen kapazitiven Strom, so daß in vielen Fällen eine Zweigleitung, die unter Verwendung von Netzfrequenz -Vorschaltgeräten 90 Leuchtstofflampen speisen kann, bei der Verwendung von Hochfrequenz-Vorschaltgeräten auf weniger als 70 Lampen beschränkt sein kann. Die Filterkondensatoren sind von ihren Abmessungen auch verglichen mit den anderen Bauteilen groß und sie führen relativ hohe Welligkeitsströme. Daher vergrößern sie die Größe und Kosten des Vorschaltgerätes. Aufgrund ihrer elektrolytischen Konstruktion und der erheblichen Verlustleistung verringern sie die Gesamtzuverlässigkeit des Systems.

Im Fall von elektronischen Vorschaltgeräten mit Helligkeitssteuerung sind zusätzliche Eingangsleitungen erforderlich, um die Steuerinformationen an das Vorschaltgerät zu liefern, wodurch die Installation weiter kompliziert wird. Diese Steuerleitungen sind unveränderlich auf den Wechselspannungs-Netzleistungseingangskreis bezogen. Viele Beleuchtungssysteme sind mit Drei-Phasen-Wechselspannungskreisen verbunden und es ist allgemein üblich, benachbarte Lampenfassungen aus verschiedenen Phasen zu speisen, um den wahrnehmbaren Flackerpegel in der Gasentladungs-

lampen-Lichtleistung zu verringern. Die Steuerleitungen, die galvanisch auf den Wechselspannungs-Leistungseingang bezogen sind, werden üblicherweise parallel geschaltet, damit alle Vorschaltgeräte durch die gleiche Steuerspannung gesteuert werden. Alle Vorschaltgeräte mit derartigen parallelen Steuerleitungen müssen dann aus der gleichen Wechselspannungs-Phase betrieben werden, um einen Phasen-/Phasen-Kurzschluß der Wechselspannungsquelle über die Vorschaltgeräte und ihre parallelen Steuerleitungen zu vermeiden, da ein derartiger Kurzschluß zur Zerstörung der Vorschaltgeräte führen würde. Die'Vermeidung dieses Zustandes führt zu zusätzlichen Komplikationen bei der Installationsverdrahtung derartiger Beleuchtungssysteme, so daß schon kleine Verdrahtungsfehler zu einer weit verteilten Zerstörung der Vorschaltgeräte führen können.

Weiterhin ist es bei Vorschaltgeräten mit Helligkeitssteuerung allgemein üblich, einen veränderlichen Spannungspegel an den Steuereingängen zu verwenden, damit das Vorschaltgerät Informationen bezüglich des gewünschten Pegels der Lichtleistung erhält. Weil das Vorschaltgerät eine Hochfrequenz-Leistungsversorgung darstellt, kann es sehr leicht Störkomponenten in die Steuerleitungen induzieren, die den Betrieb der Lampen stören. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Steuerspannung in der Nähe von Null Volt liegt, wenn die Lampen auf ihre niedrigste Lichtausgangsleistungs-Einstellung eingestellt sind. Unter diesen Bedingungen

sind die Lampen am empfindlichsten gegenüber irgendwelchen Störungen und irgendwelche Störungen, die von den Steuerleitungen aufgefangen werden, sind von erheblicher Bedeutung, wenn sie mit den relativ niedrigen Steuerspannungen bei niedrigen Lichtleistungspegeln verglichen werden.

Weiterhin sind die meisten bekannten Vorschaltgeräte mit Helligkeitssteuerung hinsichtlich ihres Steuerbereiches beschränkt und sie ermöglichen lediglich eine Änderung der Lichtleistung ihrer Lampen über ein Verhältnis von ungefähr IO : 1 oder noch weniger. Obwohl dieses Verhältnis für Energiemanagement-Anwendungen ausreichend ist, ist es für die meisten kinesthetischen oder architektonischen Helligkeit sSteueranwendungen unzureichend, bei denen ein Verhältnis von 100 : 1 üblicherweise erforderlich ist. Die zusätzlichen Flexibilität, die durch eine Steuermöglichkeit über einen derartigen weiten Bereich erzielt wird, vergrößert den funktioneilen und Marktwert von Hochfrequenz-Vorschaltgeräten verglichen mit üblichen ungesteuerten Netzfrequenz-Vorschaltgeräten in erheblichem Ausmaß. Weil Hochfrequenz -Vor schal tger ate aufgrund ihrer Eigenart kostspieliger sind, ist es entsprechend erforderlich, erhebliche Betriebseigenschafts-Vorteile anzubieten, um die unvermeidbaren höheren Einheitskosten zu gerechtfertigen.

Viele bekannte Vorschaltgeräte können zur Er-

läuterung der vorstehenden Ausführungen herangezogen werden. So beschreibt das US-Patent 4 414 491 ein elektronisches Vorschaltgerät ohne Helligkeitssteuerung jedoch mit relativ wenigen Bauteilen, wobei außerdem zwei Leistungshalbleiterbauelemente, ein großer Filterkondensator und eine relativ komplizierte magnetische Struktur verwendet werden- Weiterhin ist die dargestellte magnetische Struktur aus relativ aufwendigem Material aufgebaut.

Ein ähnliches Vorschaltgerät ist in dem US-Patent 4 392 087 beschrieben und verwendet zwei Leistungshalbleiterbauelemente, komplizierte magnetische Bauteile und einen großen Filterkondensator. Die Helligkeitssteuerung oder -verringerung wird durch eine Spannungsverringerung oder eine Impulsbreitenmodulation der Halbleiterleistungsbauteile erzielt, doch kann der Helligkeitssteuerbereich bei üblichen Leuchtstofflampen nicht das Verhältnis von 10 : 1 überschreiten.

In dem US-Patent 4 35 8 716 ist ein elektronisches Vorschaltgerät beschrieben, dessen Helligkeitssteuerung durch eine Tastverhältnis-Steuerung von Hochfrequenz-Impulsfolgen für Gasentladungslampen erreicht wird. Dieses Vorschaltgerät weist ebenfalls zwei Halbleiterleistungsbauteile und einen großen Filterkondensator auf, wie dies weiter oben erläutert wurde.

Bei dem Vorschaltgerät nach dem US-Patent

4 392 086 ist der Leistungsfaktor durch Umsetzen des großen Kondensators in eine kleine Hilfs-Leistungsversorgung verbessert, die dazu verwendet wird, den Lampenlichtbogen während der Perioden der 60 Hz Netzleistungsperiode im gezündeten Zustand zu halten, wenn die Spannung zu niedrig ist, um einen geeigneten Lampenbetrieb zu ermöglichen. Es sind jedoch zwei Halbleiterleistungsbauteile und mehrere magnetische Bauteile erforderlich, und der Helligkeitssteuerbereich ist relativ begrenzt.

Bei einem Vorschaltgerät nach dem US-Patent 4 277 728 wird ebenfalls ein relativ kleiner Gleichspannungs-Filterkondensator in Kombination mit einem aktiven Schaltregler verwendet, um den Leistungsfaktor zu verbessern. Es werden drei Halbleiter-Leistungsbauteile verwendet und eine große Anzahl von komplizierten magnetischen Elementen ist erforderlich, um die Schaltung gerätemäßig auszuführen. Es ist lediglich die Erzielung eines Steuerbereiches von ungefähr 10 : 1 möglich.

Bei all diesen bekannten Vorschaltgeräten, bei denen eine Helligkeitssteuerung möglich ist, sind die Steuerleitungen für die Helligkeitssteuerung galvanisch auf die Wechselspannungs-Leistungsleitungen bezogen. Dies führt zu den oben erwähnten Verdrahtungsschwierigkeiten und zu der Möglichkeit von katastrophalen Fehlverdrahtungsbedingungen .

Die US-Patente 3 619 716 und 3 731 142 sowie das US-Patent 3 2 65 930 beschreiben die Verwendung eines einzigen Halbleiterleistungsschal tbauteils in einem elektronischen Vorschaltgerät. Insbesondere beschreiben die US-Patente 3 619 716 und 3 731 142 die Steuerung von Gasentladungslampen unter Verwendung eines einzigen Halbleiterleistungsschaltbauteils und eines Impulsformungsnetzwerkes, das längs der Lampe angeschaltet ist. Dadurch, daß die Einschaltzeit des Halbleiterleistungsbauteils verglichen mit der Lichtbogen-Zeitkonstante kurzgehalten wird, wird ein Hochlaufen des Lampenstromes vermieden und die in dem Impulsformernetzwerk gespeicherte Energie kann durch den Lichtbogen umlaufen, wenn sich der Halbleiterleistungsschalter im abgeschalteten Zustand befindet. Die Verwendung eines einzigen Halbleiterleistungsschalterns beseitigt die vorstehend beschriebenen Kosten- und Zuverlässigkeitsprobleme, und die gespeicherte Energie in dem Impulsformernetzwerk ermöglicht eine Helligkeitssteuerung über einen weiten Bereich. Diese Grundgedanken eines Vorschaltgerätes werden seit 1974 in einem elektronischen Vorschaltgerät mit Helligkeitssteuerung angewendet, das von der Fa. Lutron-Electronics Go, Incorp. unter dem Warenzeichen "Hi-Lume" vertrieben wird.

Dieses "Hi-Lume"-Vorschaltgerät verwendet eine einfache Ausgangsinduktivität als Impulsformernetzwerk und ein Strommeßwiderstand istin

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Serie mit dem Lampenlichtbogenstrom geschaltet. Der Spannungsabfall längs des Strommeßwiderstandes, der proportional zum Lampenstrom ist, wird in der Steuerschaltung gleichgerichtet und gefiltert. Dieser Wert wird mit dem HeI-ligkeitssteuerungs-Spannungseingang verglichen und das Tastverhältnis eines einzigen Halbleiterschalterbauteils (Schalttransistor) wird solange eingestellt, bis der Lampenstrom bei dem Pegel stabil ist, der von der Größe der Helligkeitssteuerungs-Spannung festgelegt ist. Ein großer Filterkondensator liefert eine geglättete Gleichspannung an den Inverter- oder Wechselrichterteil der Schaltung. Die Verwendung einer genauen Servo-Rückführungsschleife, die direkt den Lampen-Entladungsstrom überwacht, führt zu sehr stabilen Helligkeits-Steuereigenschaften für das Hi-Lume-Vorschaltgerät über einen Bereich von mehr als 100 : 1 des Lichtleistungsverhältnisses, wobei keine Streifen- oder Flackereffekte in den Lampen sichtbar sind.

Selbst zehn Jahre nach seiner Einführung weist das Hi-Lume-System immer noch im Vergleich ausgezeichnete HeIligkeitssteuereigenschäften bei Leuchtstofflampen auf. Um diese ausgezeichneten Betriebseigenschaften zu erzielen, waren jedoch gewisse Kompromisse erforderlich. So ruft der große Filterkondensator einen relativ schlechten Leistungsfaktor hervor und die Zweigleitungs-Lampenkapazität muß verringert werden. Die Steuerschaltung ist relativ kompli-

ziert, damit die interne Servoschleife stabilisiert wird, was zu hohen Kosten führt, und zwar trotz des einzigen Halbleiterleistungsschalters und einer relativ einfachen magnetischen Struktur. Die dem Vorschaltgerät eigene Zuverlässigkeit ist aufgrund der Verwendung eines einzigen Leistungshalbleiterschalters sehr gut, doch kann eine Fehlverdrahtung der Lampenleitungen zu Ausfällen führen, weil diese direkt mit dem Leistungshalbleiterschalter und den Steuerschaltungen verbunden sind. Weiterhin sind die HeIligkeitsSteuerleitungen über den Brückengleichrichter direkt auf die Wechselspannungsleitung bezogen. Dies bedeutet vergrößerte Kosten, weil Trennverstärkerschaltungen und Stromspitzen-Verringerungsschaltungen in Verbindung mit irgendeiner wesentlichen Anzahl dieser Vorschaltgeräte verwendet werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Vorschaltgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei einfachem Aufbau einen guten Leistungsfaktor und einfache Verdrahtungsmöglichkexten der Steuerschaltungen sowie eine Unempfindlichkeit gegenüber FehlVerdrahtungen aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen

Das erfindungsgemäße elektronische Vorschaltgerät behält die einfache grundlegende Struktur und die ausgezeichneten Helligkeitssteuerungseigenschaften des Hi-Lume-Vorschaltgerätes bei, während bestimmte Punkte beträchtlich verbessert werden, nämlich insbesondere die Einfachheit der Steuerschaltkreisverdrahtung, der Leistungsfaktor, der Schutz gegen eine Fehlverdrahtung, die Isolation der Steuerschaltung und die Unempfindlichkeit gegenüber Störungen. Entsprechend verwendet das erfindungsgemäße Schaltgerät weiterhin lediglich einen Leistungsschalter und eine einzige magnetische Struktur. Der Strommeßwiderstand ist jedoch in Serie mit dem Leistungsschaltbauteil geschaltet und nicht in Serie mit der Lampe. Weiterhin ist die Lampe galvanisch von den Schalterkreisen isoliert. Diese Vorkehrungen beseitigen praktisch die Möglichkeit eines Ausfalls der Schaltung aufgrund einer Fehlverdrahtung der Lampenleitungen, weil derartige Fehler die Strommeßschaltungen nicht mehr unwirksam machen können und auch keine direkten Kurzschlüsse von einer Wechselspannungsleitung zur Erde hin hervorrufen können.

Weiterhin kann der Filterkondensator nunmehr einen relativ kleinen Wert aufweisen, der dazu dient, einen Hochfrequenz-Kurzschluß an den Leistungsversorgungsanschlüssen zu bilden, jedoch keine wesentliche Beeinflussung des Leistungsfaktors des 60 Hz Netzes bei voller

Lichtleistung hervorruft. Wenn der Inverter oder Wechselrichter die volle Lampenleistung liefert, so dient die Stromentnahme zur schnellen Entladung des Filterkondensators und die Versorgungsgleichspannung weist die Schwingungsform einer typischen ungefilterten zweiweg-gleichgerichteten Spannung auf. Hierdurch ergibt sich ein ausgezeichneter Netzleitungs-Leistungsfaktor bei voller Lichtleistung. Bei sehr niedrigen Lampenlichtleistungen ist die Kondensatorspannung geglättet und folgt nicht der Netzspannungsschwingungsform, so daß der Leistungsfaktor verringert ist. Bei niedrigen Ausgangslichtleistungen weist ein niedriger Leistungsfaktor jedoch keine wesentlichen Nachteile auf und die mehr geglättete Gleichspannungsschwingungsform dient zur Verbesserung der Lampenstabilität und der Helligkeitssteuereigenschaften am unteren Ende des Helligkeitssteuerbereiches.

Das erfindungsgemäße Vorschaltgerät weicht wesentlich von bekannten Vorschaltgeräten ab. Bei dem vorstehend genannten US-Patent 3 2 65 wird der Lampenentladungsstrom überwacht und zur direkten Steuerung des Leitfähigkeitszustandes des in Serie geschalteten Leistungsschalterbauteils verwendet. Dieses Leistungsschalterbauteil wird eingeschaltet und bleibt solange eingeschaltet, bis der Entladungsstrom einen vorgegebenen oberen Grenzwert erreicht, worauf der Leistungsschalter geöffnet wird und offengehalten wird, bis der Entladungsstrom unter einen zweiten Grenzwert fällt. Bei dem

erfindungsgemäßen Vorschaltgerät wird nicht der Lampenentladungsstrom gemessen sondern statt dessen der Strom durch den Leistungsschalter, um die bereits beschriebenen Fehlverdrahtungsprobleme zu vermeiden. Weiterhin bleibt bei dem erfindungsgemäßen Vorschaltgerät der Leistungsschalter eingeschaltet, bis ein oberer Stromgrenzwert überschritten wird, worauf der Leistungsschalter abgeschaltet wird und abgeschaltet bleibt, bis ein interner Oszillator ein Signal abgibt, das den Leistungsschalter erneut einschaltet, um einen weiteren Zyklus zu starten. Hierdurch wird die Betriebsfrequenz des Vorschaltgerätes auf einen bekannten Wert festgelegt und sie ist keine Funktion der Lampenparameter, wie dies bei dem Vorschaltgerät nach dem US-Patent 3 265 930 der Fall ist. Hierdurch wird die Lampenlichtleistung weniger abhängig von Änderungen der Netzspannung und der Lampenentladungsspannung und es wird ein Betrieb im hörbaren Frequenzbereich verhindert, in dem ein störendes "singendes" Geräusch von Personen wahrgenommen werden kann, die sich in dem beleuchteten Bereich befinden.

Das Vorschaltgerät nach dem US-Patent 3 265 schaltet weiterhin den Leistungsschalter bei einem festen vorgegebenen Stromwert ab. Bei dem erfindungsgemäßen Schaltgerät ist dieser Grenzwert eine Funktion der momentanen Netzspannung. Diese Art der Steuerung führt zu einer nahezu sinusförmigen Netzstromschwingungsform, die mit der Netzspannung in Phase ist. Daher ist der

Leistungsfaktor in der oben erwähnten Weise sehr gut- Diese schnelle Änderung des Steuerstrompegels, die der 120 Hz-Zweiweggleichrichtungs-Hüllkurve folgt, ist bei dem bekannten Hi-Lume-Vorschaltgerät nicht möglich, weil die bei diesem Vorschaltgerät verwendeten gefilterten Stromrückführungssignale zu langsam ansprechen, um einer Netzfrequenzkorrekturfunktion wie dieser zu folgen. Das schnelle Ansprechen der Stromschleife des erfindungsgemäßen Vorschaltgerätes ergibt weiterhin eine von Natur aus stabile Steuerschleife und verringert stark die Kompliziertheit der Steuerschaltungen. Schließlich verhindert das schnelle Ansprechverfahren, daß auf das Leistungsschalterbauteil Stromstöße einwirken, die über den normalen Konstruktionspegeln liegen, selbst wenn ungewöhnliche Betriebsbedingungen auftreten, wie z.B. eine Fehlverdrahtung.

Das erfindungsgemäße Vorschaltgerät verwendet weiterhin ein dielektrisch isoliertes Kopplungsbauteil zwischen den Helligkeitssteuerleitungen und der Steuerschaltung. Statt mit einer veränderlichen Eingangsgleichspannung wird der Koppler mit einem Rechteckschwingungseingang mit veränderlichem Tastverhältnis gespeist. Wie dies weiter oben erwähnt wurde, ermöglicht dies eine einfachere Auslegung der Verdrahtung weil es nicht mehr erforderlich ist, daß man aufpassen muß, daß Einheiten mit parallel geschalteten Steuerleitungen immer aus der gleichen Wechselspannungs-Phasenleitung gespeist werden. Weiterhin wird die Stör-

unempfindlichkeit verbessert.

Erfindungsgemäß wird weiterhin ein neuartiges Verfahren geschaffen, bei dem mehrere Lampen, die aus einem einzigen Vorschaltgerät betrieben werden, den Lampenstrom, der von dem Vorschaltgerät geliefert wird, gleichmäßig unter sich aufteilen. Weil die Gasentladungslampen eine Entladungsspannungs-y/Stromcharakteristik mit negativem Widerstand aufweisen, führt eine Parallelschaltung derartiger Lampen immer dazu, daß eine Lampe den gesamten Strom führt, während die andere vollständig erlischt. Es sind zwei Möglichkeiten zur Lösung dieses Problems bekannt. Die übliche Lösung besteht darin, die Lampen in Serie zu betreiben. Obwohl dies sehr gut mit mehreren Lampen bei 60 Hz funktioniert und mit zwei Lampen bei höheren Frequenzen, können die höheren erforderlichen Spannungen Probleme bei der Erfüllung von Sicherheitsbestimmungen hervorrufen. Weiterhin werden bei einer Helligkeitssteuerung über einen großen Bereich kapazitive Leckströme von erheblicher Bedeutung, wenn die Lampen bei weniger als 1 % der vollen Lichtleistung betrieben werden, und ein Serienbetrieb von 3 oder mehr Lampen führt zu einer schwerwiegenden Unsymmetrie der Lichtleistung bei niedrigen Lichtleistungspegeln.

Eine zweite bekannte Lösung dieses Problems besteht darin, die Lampen parallel zu betreiben, wobei kleine, jedoch aufwendige Stromsymmetriertransformatoren verwendet werden, um

eine Lampe daran zu hindern, den gesamten zur Verfügung stehenden Entladungsstrom auf sich zu ziehen. Bei einer Einheit mit zwei Lampen ist lediglich ein Symmetriertransformator erforderlich, doch benötigt eine Gruppe mit vier Lampen drei Symmetriertransformatoren und der Aufwand und die Kompliziertheit ist erheblich.

Die Verwendung eines isolierten Ausgangstransformators bei dem erfindungsgemäßen Vorschaltgerät ermöglicht in Verbindung mit der Steuerung des Leistungsschalter-Stromes ein neues Verfahren, das eine Aufteilung des Lampenstromes in Mehrfachlampeneinheiten erzwingt. Wie dies bereits erwähnt wurde, arbeiten zwei in Serie geschaltete Lampen gut, doch können mehr Lampen Probleme hervorrufen. Bei dem erfindungsgemäßen Vorschaltgerät wird eine getrennte Energiespeicherinduktivität in Verbindung mit zwei Ausgangstransformatoren verwendet, deren Primärwicklungen in Serie geschaltet sind. Die Last an jedem Transformator wird durch ein oder mehr, vorzugsweise zwei, in Serie geschaltete Lampen gebildet. Hierdurch ergibt sich der Effekt von vier in Serie geschalteten Lampen, die von Natur aus Stromaufteilungseigenschaften aufweisen, doch sind die Spannungen der Transformator-Sekundärwicklungen nicht höher als im Fall von zwei Lampen. In diesem Fall weist das Vorschaltgerät drei getrennte magnetische Elemente auf. Wenn ein einziger Ausgangstransformator verwendet wird, kann die Speicherinduktivität in einfacher Weise durch

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einen Teil der Transformatorstruktur selbst gebildet sein, so daß lediglich ein magnetisches Element erforderlich ist. In ähnlicher Weise kann die vorstehend beschriebene aus drei Elementen bestehende magnetische Struktur in Form eines einzigen magnetischen Elementes integriert werden. Obwohl ein derartiges Element relativ kompliziert ist, ist die Möglichkeit, die gesamte restliche Schaltung auf vier Lampen aufzuteilen, anstelle auf zwei, hinsichtlich der Gesamteinheit kosteneffektiv.

Wie dies weiter oben erwähnt wurde, besteht ein wesentliches Merkmal der Erfindung in der Verwendung eines einzigen Leistungsschalters. Es sei jedoch bemerkt, daß der einzige Leistungsschalter in neuartiger Weise durch ein bipolares Hochspannun gs-Ha\bleiterbauteil und ein eine niedrige Spannung aufweisendes Leistungs-MOSFET-Bauteil gebildet sein kann, die in einer Kaskodenschaltung zusammengeschaltet sind. Das bipolare Hochspannungs-Halbleiterbauteil ergibt die notwendigen Hochspannungs-Eigenschaften für den Schalter, während das für niedrige Spannungen ausgelegte Leistungs-MOSFET-Bauteil einen Betrieb mit extrem hoher Geschwindigkeit ermöglicht. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein bipolares NPN-Halbleiterbauteil in Serie mit den Drain- und Source-Elektroden eines Niederspannungs-Leistungs-MOSFETs geschaltet. Die Verbindung zwischen dem Emitter des bipolaren Transistors und der Drain-Elektrode des Lei-

stungs-MOSFETs ist die Primärwicklung eines Stromtransformators eingefügt. Die Sekundärwicklung ist dann zwischen der Basis des bipolaren Transistors und der Drain-Elektrode des MOSFETs angeschaltet. Die Basis des bipolaren Transistors ist weiterhin mit einer kleinen Zener-Diode verbunden, deren anderer Anschluß mit dem Source-Anschluß des Leistungs-MOSFETs verbunden ist. Dieser neuartige Steuer- und Schalterkreis, der im Ergebnis ein einziges Leistungsschalterbauteil bildet, ergibt eine hohe Spannung, ein Hochgeschwindigkeits-Schaltverhalten und ist äußerst einfach anzusteuern. Diese Schaltungsanordnung verhindert weiterhin einen zweiten Durchbruch des bipolaren Transistors.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Ein Schaltbild des bekannten

Hi-Lume-Vorschaltgerätes.

Fig. 2 Ein Schaltbild einer Ausfüh

rungsform des erfindungsgemäßen Vorschaltgerätes.

Fig. 3 Eine Darstellung des Verlaufes

der Ausgangsspannung an dem Filterkondensator nach Fig. 2, wenn der Inverter die volle Lampenlichtleistung liefert.

Fig. 4 Den Verlauf der Spannung an

dem Filterkondensator nach Fig. 2 in einem Zustand mit verringerter Lampenleistung.

Fig. 5 Ein Schaltbild einer Ausfüh

rungsform einer Ausgangstransformatoranordnung, die mehrere Lampen verwendet, bei der eine gleichmäßige Aufteilung des Stromes erzwungen wird.

Fig. 6 Ein Schaltbild einer Ausfüh

rungsform eines einzigen Leistungsschalters sowie der zugehörigen Ansteuerschaltungen.

In Fig. 1 ist das Schaltbild des bekannten elektronischen Hi-Lume-Vorschaltgerätes gezeigt, das in weitem Ausmaß regelbar ist und das über viele Jahre im Handel erhältlich ist. Die Schaltung wird aus einer WechselSpannungsquelle 10 betrieben, die eine übliche WechselSpannungsquelle von 110, 220 oder 277 Volt bei 50 oder 60 Hz sein kann. Der Ausgang der Quelle 10 ist mit einem üblichen Einphasen-Gleichrichter 11 vom Zweiweg-Brückentyp verbunden, der ein gleichgerichtetes Ausgangssignal längs eines relativ großen Filterkondensators 12 liefert, der ein Elektrolytkondensator ist. Der positive Anschluß der Gleichrichterbrücke 11 ist weiterhin mit dem Kollektor des schematisch dargestellten bipolaren Schalttransistors 13 verbunden, der seinerseits mit dem induktiven Ballast 14 und der

Gasentladungslampe 15 verbunden ist, die irgendeine gewünschte Gasentladungslampe sein kann, beispielsweise eine Leuchtstofflampe. Anzapfungen 16 und 17 an dem Ballast oder der Induktivität 14 bilden eine Heizspannungsquelle für die Heizfäden der Gasentladungslampe 15.

. Ein Strommeßwiderstand 18 ist in Serie mit der Lampe 15 geschaltet und erzeugt eine Ausgangsspannung, die der Steuerschaltung 19 zugeführt wird. Die Steuerschaltung 19 kann von irgendeinem gewünschten Typ sein und empfängt eine Helligkeitssteuer-Eingangsspannung an Leitungen 20 und 21, die zusammen mit dem Strommeßwiderstand 18 das Steuersignal steuern, das der Basis des Transistors 13 zugeführt wird und das im Sinne einer Regelung der Lichtausgangsleistung derart wirkt, daß der Strom durch den Strommeßwiderstand 18 auf einem Wert gehalten wird, der durch das Helligkeitssteuer-Eingangssignal an den Leitungen 20 und 21 eingestellt ist.

Die Schaltung nach Fig. 1 weist einen relativ einfachen Aufbau mit ausgezeichneten Helligkeitssteuereigenschaften auf. Die Schaltung verwendet die einfache Ausgangsinduktivität 14 als Impulsformernetzwerk und der Strommeßwiderstand 18 ist in Serie mit dem Lampenentladungsstrom geschaltet. Die Steuerschaltung 19 ist so ausgebildet, daß sie die Spannung längs des Widerstandes 18, die proportional zum Lampenentladungsstrom ist, gleichrichtet und filtert. Dieser überwachte Spannungswert wird

dann mit der Helligkeitssteuer-Eingangsspannung verglichen und das Tastverhältnis des Schalttransistors 13 wird dann solange eingestellt, bis der Lampenentladungsstrom bei dem Pegel stabil ist, der durch die Größe der Helligkeitssteuer-Eingangsspannung festgelegt ist, die an die Leitungen 20 und 21 angelegt wird. Der grosse Filterkondensator 12 liefert einfach eine geglättete Gleichspannung an den Inverterteil der Schaltung.

Die Schaltung nach Fig. 1 verwendet eine genaue Servo-Rückführungsschleife, die zu sehr stabilen Helligkeitssteuereigenschaften führt. Dies wird jedoch unter Inkaufnahme des Aufwandes eines großen Filterkondensators erreicht, der den Leistungsfaktor der Schaltung verringert. Weiterhin ist die Steuerschaltung 19 relativ komplex, damit eine stabilisierte interne Servoschleife gebildet werden kann und sie ist relativ aufwendig. Damit ist das gesamte Vorschaltgerät relativ aufwendig, selbst in Anbetracht der Tatsache, daß lediglich ein einziges Leistungsschalterbauteil und eine relativ einfache magnetische Struktur verwendet werden. Eine Fehlverdrahtung der Lampenleitungen der Lampe 15 kann weiterhin zu einem Ausfall führen, weil die Leitungen direkt mit dem Leistungsschalter 13 und der Steuerschaltung 19 verbunden sind. Weiterhin sind die Helligkeitssteuerleitungen notwendigerweise direkt über den in Brücke geschalteten Gleichrichter 11 auf die Wechselspannungsleitung bezogen

(diese Verbindung ist nicht dargestellt). Daher ergeben sich vergrößerte Kosten, weil Isolations- oder Trennverstärkerschaltungen und Stromspitzen-Verringerungsschaltungen in Verbindung mit irgendeiner wesentlichen Anzahl von Schaltungen nach Fig. 1 verwendet werden müssen.

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform des Vorschaltgerätes, bei dem die grundlegenden einfachen Strukturen und die ausgezeichneten Helligkeitssteuereigenschaften der bekannten Schaltung nach Fig. 1 beibehalten werden. Andererseits weist die Schaltung nach Fig. 2 eine Anzahl von Verbesserungen auf, insbesondere eine wesentliche Vereinfachung der Steuerschaltung und eine Verbesserung des Leistungsfaktors und des Schutzes gegen eine Fehlverdrahtung sowie eine Isolierung der Steuerschaltung und eine Unempfindlichkeit gegen Störungen. So hat bei der Schaltung nach Fig. 1 der Kondensator 12 eine Kapazität von ungefähr 300 Mikrofarad, während der Kondensator 12 der Schaltung nach Fig. 2 lediglich einen Wert von ungefähr 3 Mikrofarad aufweist. In Abhängigkeit von der Größe der Lampenlast haben bekannte Vorschaltgeräte-Schaltungen Kapazitäten bis herunter auf 35 Mikrofarad für niedrige Lampenlasten verwendet. Bei dem erfindungsgemäßen Vorschaltgerät werden jedoch Kapazitätswerte von weniger als ungefähr 30 Mikrofarad selbst für hohe Lampenlasten verwendet.

Wie dies weiterhin in Fig. 2 gezeigt ist, besteht der Vorschaltgerätetransformator aus einem Transformator 30 mit zwei Wicklungen, der eine Primärwicklung 31 aufweist, die dielektrisch von der Sekundärwicklung 3 2 i.so-

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liert, mit dieser jedoch magnetisch gekoppelt ist. Die Sekundärwicklung 32 weist die Anzapfungen 16 und 17 zum Betrieb der Heizfäden der Gasentladungslampen 15 auf.

Der Schalttransistor 13 nach Fig. 2 ist in Serie mit der Primärwicklung 31 und in Serie mit dem Strommeßwiderstand 18 geschaltet. Hierbei ist es von Bedeutung, daß der Strommeßwiderstand 18 nach Fig. 2 in Serie mit dem Transistor 13 und nicht in Serie mit dem tatsächlichen Lampenstrom der Lampe 15 geschaltet ist, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist.

Eine weitere wesentliche Änderung gegenüber der Schaltung nach Fig. 1 ist die Verwendung eines üblichen Optokopplers 35 zum Ankoppeln des Eingangssignals an den Steuereingangsleitungen 20 und 21 an die Steuerschaltung 19. Der Optokoppler 35 besteht aus irgendeiner üblichen inneren Anordnung, wie z.B. einer lichtemittierenden Diode, die optisch mit einem lichtempfindlichen Transistor gekoppelt, von diesem jedoch dielektrisch isoliert ist. Diese Bauteile sind schematisch in Fig. 2 dargestellt.

Die für die Lampe gezeigte Anordnung, die aus einem Trenntransformator 30 gespeist wird, ermöglicht eine galvanische Isolierung der Lampe gegenüber den Schalterkreisen. Diese Vorsichtsmaßnahme beseitigt praktisch jede Möglichkeit eines Ausfalls der Schaltung auf-

grund einer Fehlverdrahtung der Lampenleitungen, weil derartige Fehler die Strommeßschaltungen nicht mehr unwirksam machen können und auch keine direkten Kurzschlüsse zwischen Erde und einer Wechselspannungsleitung hervorrufen können.

Der Filterkondensator 12 ist in der Schaltung nach Fig. 2 wesentlich kleiner als in der Schaltung nach Fig. 1 und wirkt als Hochfrequenzkurζschluß an den Leistungsversorgungsanschlüssen der Wechselspannungsleitung 10. Der Kondensator beeinflußt jedoch nicht im wesentlichen Ausmaß den Netz-Leistungsfaktor bei voller Lampenleistung. Wenn der Inverter die volle Lampenleistung liefert, dient die Stromentnahme zur schnellen Entladung des Kondensators 12, so daß die Speisegleichspannung die typische ungefilterte Vollweggleichrichter-Spannungsform nach Fig. 3 aufweist. Damit ergibt sich ein ausgezeichneter Netz-Leistungsfaktor bei voller Lampenlichtleistung. Wenn jedoch der Lampenausgangsstrom relativ niedrig ist, so folgt die Kondensatorspannung längs des Kondensators 12 nicht der Netzspannungsschwingungsform, sondern hat das Aussehen, wie es beispielsweise in Fig. 4 gezeigt ist. Daher wird bei niedrigen Ausgangspegeln der Leistungsfaktor verringert. Dies stellt jedoch bei dem niedrigen Strompegel keinen wesentlichen Nachteil dar und die gleichförmigere, mehr geglättete Gleichspannungsschwingungsform verbessert die Lampensta-

bilität und die Helligkeitssteuereigenschaften am unteren Ende des Helligkeitsbereiches.

Wie dies weiter oben erläutert wurde, ist bei der neuartigen Schaltung nach Fig. 2 weiterhin wesentlich, daß nicht der Lampenentladungsstrom von dem Strommeßwiderstand 18 gemessen wird, wie im Fall der Schaltung nach Fig. 1, sondern der Leistungsschalterstrom. Diese Verbindung entfernt den Strommeßwiderstand 18 von den Lampenanschlüssen und trägt dazu bei, Probleme bei Fehlverdrahtungen zu vermeiden. Weiterhin bleibt bei der Verwendung der Schaltung nach Fig. 2 das Leistungsschalterbauteil 13 eingeschaltet, bis ein oberer Stromgrenzwert überschritten wird, worauf das Leistungsschalterbauteil abgeschaltet wird und abgeschaltet bleibt, bis ein (nicht gezeigter) interner Oszillator innerhalb der Steuerschaltung 19 dieses Leistungsschalterbauteil erneut einschaltet, um einen neuen Zyklus zu starten. Hierdurch wird dann die Betriebsfrequenz der Schaltung auf einen festen Wert festgelegt und sie ist keine Funktion der Lampenparameter, wie dies bei bekannten Vorschaltgeräten der Fall ist. Hierdurch wird die Lampenlichtleistung weniger von Änderungen der Netzspannung und der Lampenentladungsspannung abhängig und es wird ein Betrieb in einem Tonfrequenzbereich verhindert, in dem sonst ein störendes Brummen erzeugt werden könnte.

Die Schaltung nach Fig. 2 bildet weiterhin eine Steuerstromschleife, die von ihrer Eigenart her

stabil ist, ein schnelles Ansprechverhalten ergibt und die Kompliziertheit der Steuerschaltungen stark verringert. Ein derartiges schnelles Ansprechen verhindert, daß der Leistungsschaltertransistor 13 Stromstößen ausgesetzt wird, die oberhalb seiner Leistungswerte liegen, und zwar selbst bei Auftreten von ungewöhnlichen Betriebsbedingungen, wie sie beispielsweise durch eine falsche Verdrahtung hervorgerufen werden.

Die Verwendung des Optokopplers 35 ermöglicht eine direktere Verbindung von den Helligkeitssteuerleitungen zur Steuerschaltung 19. Bisher wurde eine sich ändernde Eingangsgleichspannung verwendet. Der Optokoppler 35 ermöglicht die Verwendung von Rechteckschwingungs-Eingangssignalen mit veränderlichem Tastverhältnis an den Steuerleitungen 20 und 21 für eine direktere Steuerung des Systems. Dies ermöglicht weiterhin eine vereinfachte Verdrahtung, weil mehrfache Vorschaltgeräte mit parallel geschalteten Steuerleitungen nicht mehr aus der die gleiche Phase aufweisenden Wechselspannungsleitung gespeist werden müssen. Der Optokoppler ergibt weiterhin eine verbesserte Störunempfindlichkeit für das System.

Das erfindungsgemäße Vorschaltgerät bildet weiterhin eine neuartige Anordnung zum Betrieb mehrerer Lampen an einem einzigen Vorschaltgerät, wobei eine gleichmäßige Aufteilung des von dem Vorschaltgerät gelieferten

Entladungsstroraes auf die Anzahl der Lampen erzwungen wird. Diese neuartige Stromteilerschaltung ist in Fig. 5 gezeigt, in der den Bauteilen der Fig. 2 entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Daher entsprechen in Fig. 5 die Knotenpunkte 40 und 41 den Knotenpunkten 40 und nach Fig. 2. Eine einzige Vorschaltgeräte-Induktivität 42 ist parallel zu den Primärwicklungen 43 und 44 von Transformatoren 45 und 46 angeschaltet, die jeweilige Sekundärwicklungen 47 und 48 aufweisen. Das Windungsverhältnis der Wicklungen 43 und 44 zu den Sekundärwicklungen 47 und 4 8 kann 1 : 2 sein. Jede der Wicklungen 47 und 48 ist zur Ansteuerung von zwei in Serie geschalteten Lampen 49 - 50 bzw. 51 - 52 angeschaltet. Wicklungsanzapfungen 53 und 54 sind mit einem Heizfaden jeder der Lampen 49 und 50 verbunden und eine in der Mitte liegende Wicklungsanzapfung 55 oder eine Koppelwicklung ist mit den anderen Heizfäden jeder der Lampen 49 und 50 verbunden, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Eine ähnliche Anordnung ist für den Transformator 46 und die Lampen 51, 52 vorgesehen.

Es ist zu erkennen, daß irgendeine gewünschte Anzahl von Transformatoren 45 und 46 verwendet werden könnte, um irgendeine gewünschte Anzahl von Lampen in der speziellen Lampenbank zu ermöglichen, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Jeder Satz von Lampen besteht lediglich aus zwei in Serie geschalteten Lam-

pen, so daß die maximale Spannung, die in dem Vorschaltgerät erforderlich ist, begrenzt wird. Dieses neuartige Verfahren der Symmetrierung des Stromes zwischen einer Anzahl von Lampen wird durch die Verwendung eines einen isolierten Ausgang aufweisenden Transformators und die getrennte Anordnung des Strommeßwiderstandes ermöglicht. Die Induktivität 42 nach Fig. wirkt als getrennte Energiespeicherinduktivität, während die Ausgangstransformatoren 45 und 4 6 den gleichen Primärstrom führen, so daß eine gleichförmige Aufteilung des Stromes auf die Lampen 49 - 52 sichergestellt ist.

Das Schaltbild nach Fig. 5 benötigt drei getrennte magnetische Elemente. Damit wird dieses Vorschaltgerät relativ kompliziert, doch ist die Möglichkeit, die Stromaufteilung auf vier Lampen anstelle von zwei Lampen zu erzwingen, für die Gesamteinheit sehr kosteneffektiv.

Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung betrifft die neuartige Ausführung des einzigen Leistungsschaltertransistors 13 nach den vorstehenden Figuren zusammen mit einer neuartigen Steuerbetriebsart für diesen Transistor. Wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, kann dieses einzelne Hochspannungs-Schalterbauteil 13 durch einen Hochspannungs-NPN-Transistor 70 gebildet sein, der in Serie mit einem Niederspannungs-Leistungs-MOSFET 71 geschaltet ist. Diese Bauteile sind in der gut bekannten Kaskodenschaltung zusammengeschaltet. Der NPN-

Transistor 70 kann vom Typ NJE 13 007 A sein, während der MOSFET 71 vom Typ BUZ 710 sein kann. Der bipolare Transistor 70 ergibt die erforderliche hohe Spannungsfestigkeit, die für den Schalter 13 erforderlich ist, während der MOSFET 71 den gewünschten Hochgeschwindigkeitsbetrieb für das Schalterbauteil hervorruft.

In Fig. 6 wird weiterhin eine neuartige Steuerschaltung verwendet, die einen zusammenwirkenden Betrieb der Transistoren 70 und 71 sicherstellt und gleichzeitig einen zweiten Durchbruch des bipolaren Transistors 70 vermeidet. Hierbei ist ein Stromtransformator 72 vorgesehen, der 24 Windungen auf einem Feridkern aufweist. Ein Anzapfungsabschnitt 73 mit vier Windungen ist in Serie zwischen dem Emitter des Transistors 70 und der Drain-Elektrode des Transistors 71 angeschaltet, wie dies gezeigt ist. Der Rest der Wicklung ist dann mit der Basis des Transistors 70 verbunden. Eine Zener-Diode ist zwischen der Basis des Transistors 70 und der Source-Elektrode des Transistors 71 eingeschaltet. Die Steuerschaltung 19 nach Fig. 2 beispielsweise ist dann mit der Gate-Elektrode des MOSFETs 71 verbunden, um die Schalteranordnung 13 ein- und auszuschalten.

Im Betrieb sei angenommen, daß sich der Schalter 13 in leitfähigem Zustand befindet und daß ein Signal erzeugt wird, das den Schalter 13 abschalten soll. Hierbei schaltet der

MOSFET 71 äußerst schnell ab, wodurch ein scharfer Abfall im Emitterstrom des bipolaren Transistors 70 hervorgerufen wird. Der Kollektorstrom des bipolaren Transistors, der beim Abschalten weiterfließt, läuft über die Zener-Diode und zur Source-Anschlußleitung des MOSFETs, um den bipolaren Transistor 70 vollständig abzuschalten. Damit kann ein Hochgeschwindigkeitsabschalten erzielt werden, bei dem der MOSFET immer sicher geschützt ist.

Es sei bemerkt, daß im leitfähigen Zustand des Schalters 13 der Emitterstrom durch den vier Windungen aufweisenden Abschnitt 73 des Transformators 72 hindurchfließt. Entsprechend wirkt der Transformator 72 als Stromtransformator und prägt 1/5 des vollen Emitterstromes auf die Basiselektrode auf, wodurch die Basisansteuerung für den Transistor 70 erzeugt wird. Der Ferritkern ist so ausgelegt, daß er während dieses Vorganges nicht gesättigt wird.

Als Ergebnis bewirkt die vorstehend beschriebene Schaltung nach Fig. 6 ein Hochgeschwindigkeitsabschalten und sie ist sehr leicht anzusteuern. Weiterhin wird ein zweiter Durchbruch des bipolaren Transistors 70 verhindert, so daß dieser bipolare Transistor robuster ist.

Claims

Patentanwälte " Dipl.-Ing. C u rt Wal lach Europäische Patentvertreter Dipl.-lng.GüntherKoch

European Patent Attorneys Dipl.-Phys. Dr.TinO Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: LUTRON ELECTRONICS Co. Unser Zeichen: 18 178 - Fk/st

Elektronisches Vorschaltgerät für Gasentladungslampen

PATENTANSPRÜCHE:

/l/ Elektronisches Vorschaltgerät für Gasentladungslampen, deren Lichtleistung über einen großen Bereich einstellbar ist, mit einem Wechselspannungs-Eingangskreis, mit einem Zweiweggleichrichter, dessen Wechselspannungsanschlüsse mit dem Wechselspannungs-Eingangskreis verbunden sind und der Gleichspannungs-Ausgangsanschlüsse aufweist, mit einem Filterkondensator, der längs der Gleichspannungs-Ausgangsanschlüsse angeschaltet ist, mit Transformatoreinrichtungen, die elektrisch voneinander isolierte Primär- und Sekundärwicklungen einschließen, mit einer Gasentladungslampe, die längs der Anschlüsse der Sekundärwicklung angeschaltet ist, mit einem einzigen Halbleiterschaltelement, das eine Steuerelektrode und erste und zweite Leistungsanschlüsse aufweist, mit einer Strommeßeinrichtung, mit einer Steuerschaltung, die mit der

Steuerelektrode verbunden und so betätigbar ist, daß das Halbleiterschaltelement mit einem gesteuerten Tastverhältnis ein- und ausgeschaltet wird, mit einer Helligkeitssteuerpegel-Einstellschaltung, die mit der Steuerschaltung verbunden ist, um das Tastverhältnis auf einen Wert einzustellen, der auf ein vorgegebenes Ausmaß der Helligkeitsverringerung der Gasentladungslampe bezogen ist, wobei die Strommeßeinrichtungen mit der Steuerschaltung verbunden sind und das Tastverhältnis auf einen Wert einstellen, der den Strom durch die Strommeßeinrichtungen auf einem Wert hält, der zu dem in Beziehung steht, der sich aus der Einstellung der Helligkeitssteuerpegel-Einstellschaltung ergibt,
dadurch gekennzeichnet , daß die Gleichspannungs-Ausgangsanschlüsse, die Primärwicklung (31; 43, 44)_y das einzige Halbleiterschaltelement (13) und die Strommeßeinrichtungen (18) in einem geschlossenen Serienkreis zusammengeschaltet sind.
2. Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Filterkondensator (12) einen Wert von weniger als ungefähr 30 Mikrofarad aufweist.
3. Vorschaltgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Sekundärwicklung (32; 47,48) Heizungs-Anzapfabschnitte (16, 17) aufweist, die mit den Heizfäden der Gasentladungslampe (15; 4 9 - 52) verbunden sind.
4. Vorschaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet , daß ein zweiter Transformator (46) vorgesehen ist-, der dielektrisch isolierte Primärwicklungen (44) und Sekundärwicklungen (4 8) aufweist, daß die Primärwicklung (43) des Transformators (45) und die Primärwicklung (44) des zweiten Transformators (46) in Serie in den geschlossenen Serienkreis eingeschaltet sind, daß eine Induktivität (4 2) parallel zu den in Serie geschalteten Primärwicklungen (43, 44) angeschaltet ist und daß eine zweite Gasentladungslampe längs der Anschlüsse der Sekundärwicklung (4 8) angeschaltet ist.
5. Vorschaltgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß zumindestens zwei in Serie geschaltete Gasentladungslampen (49, 50, 51, 52) längs der Anschlüsse jeder der Sekundärwicklungen (47, 48) angeschaltet sind.
6. Vorschaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet , daß ein Optokoppler-Bauteil (35) die Helligkeitspegel-Einstellschaltung mit der Steuerschaltung (19) koppelt.
7. Vorschaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet ,

-A-

daß das einzige Halbleiterschaltelement (13) durch einen bipolaren Transistor gebildet ist.
8. Vorschaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet , daß das einzige Halbleiterschaltelement (13) einen bipolaren Hochspannungstransistor (70) und einen Niederspannungs-Leistungs-MOSFET (71) umfaßt, die miteinander in Kaskode geschaltet sind.
9. Vorschaltgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromtransformator (72) mit einem Anzapf -Anschluß (73) und Endanschlüssen vorgesehen ist, daß die Endanschlüsse mit der Basis des bipolaren Transistors (70) bzw. der Drain-Elektrode des MOSFETs (71) verbunden sind, daß der Anzapfungs-Anschluß mit dem Emitter des bipolaren Transistors (70) verbunden ist, daß die Source-Elektrode des MOSFET und der Kollektor des bipolaren Transistors in den Serienkreis eingeschaltet sind und daß eine Zener-Diode zwischen der Basis des bipolaren Transistors (70) und der Source-Elektrode des MOSFETs (71) eingeschaltet ist.