DE2155205A1

DE2155205A1 - Elektrischer Schaltkreis

Info

Publication number: DE2155205A1
Application number: DE19712155205
Authority: DE
Inventors: Richard Worsley Manchester Ward (Großbritannien)
Original assignee: Dobson Park Industries Ltd
Current assignee: Joy Global Industries Ltd
Priority date: 1970-11-14
Filing date: 1971-11-06
Publication date: 1972-05-18
Also published as: US3710177A; PL80813B1; GB1326392A; HU163247B

Description

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DOBSON PARK INDUSTRIES LIMITED Park House, Colwick Industrial Estate, Nottingham MG 4 2BX_S Nottinghamshire, England

Elektrischer Sahaltkreis

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schaltkreis für Verbraucher, die zum Betrieb leitend gemacht werden müssen, beispielsweise für eine fluoreszierende Lampe, mit Schaltkreiselementen, von denen eines mit dem Verbraucher in Reihe und eines parallel zum Verbraucher geschaltet ist und die bei einer bestimmten Frequenz in Resonanz liegen, wobei für die Spannungsversorgung des Verbrauchers und der Schaltkreiselemente ein Wechselrichter vorgesehen ist,dessen Frequenz unterhalb der Resonanzfrequenz liegt ο

Bei derartigen Verbrauchern handelt es sich beispielsweise um Geräte, in denen eine Gasentladung stattfindet oder, allgemein gesagt, um Vorrichtungen mit einer negativen Widerstands- f charakteristiki die vor Inbetriebnahme durch Anlegen von Strom und Spannung leitend gemacht werden müssen_e

Eine Möglichkeil· zum Zünden von fluoreszierenden Gasentladungslampen besteht aar-in, in der Lampe eine oder mehrere elektronenemittierende Glühkathodan vorzusehen,. Nachdem die Lampe durch Elektronenemission leitend geworden ist, sind die Pleizkathoden einein Ionenbombardement ausgesetzt, was bewirken kann, uaS> die Heizkathode überhitzt wird, und zwar insbesondere

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dann, wenn der Heizstrom weiterfließt ο Die Überhitzung in Verbindung mit dem Ionenbombardement wirkt sich nachteilig auf die Lebensdauer der Lampe aus. Aus diesem Grunde muß der durch die Heizkathoda fließende Strom abgeschaltet oder reduziert werden, wenn die Lampe leitend geworden ist.

Nach dem Stande der Technik sind verschiedene Vorrichtungen hierzu bekannt. Bei einer dieser Vorrichtungen sind zwei Glühkathoden in Reihe in einem Schaltkreis angeordnet, der eine Induktionsspule und einen Kondensator aufweist und dessen Resonanzfrequenz in der Nähe der Versorgungsfrequenz liegt» Die Lampe ist parallel zu dem Kondensator geschaltet, so daß dieser im Nebenschluß von der Lampe überbrückt wird, wenn diese leitend geworden ist. Hierdurch verliert der Schaltkreis seine in der Nähe der Versorgungsfrequenz liegende Resonanzfrequenz und erhält eine vergrößerte Impedanz, so daß der durch die Heizkathoden fließende Strom stark reduziert wird. Der Schaltkreis kann an einen Wechselrichter angeschlossen sein, der die Lampe mit einer verhältnismäßig hohen Versorgungsfrequenz (zum Beispiel 1000 Hs ) speist, so daß die Induktivität der Spule und die Kapazität des Kondensators relativ klein bemessen werden können«

Es ist Aufgabe der Erfindung, den elektrischen Schaltkreis der obenaufgeführten Art derart weiterzubilden, daß übergroße Strom- und Spannungspitzen vermieden werden und eine Vielzahl von Verbrauchern mit nur einem einzigen Wechselrichter gezündet werden können α

Gegenstand der Erfindung ist ein elektrischer Schaltkreis für Verbraucher, die zum Betrieb leitend gemacht werden müssen, beispielsweise für eine fluoreszierende Lampe, mit Schaltkreis-

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elementen, von denen eines mit dem Verbraucher in Reihe und eines parallel zum Verbraucher geschaltet ist und die bei einer bestimmten Frequenz in Resonanz liegen, wobei für die Spannungsversorgung des Verbrauchers und der Schaltkreiselemente ein Wechselrichter vorgesehen ist, dessen Frequenz unterhalb der Resonanzfrequenz liegt, und sich dieser Schaltkreis dadurch kennzeichnet, daß der Wechselrichter mit einer Vorrichtung versehen ist» durch die er eine herabgesetzte Spannung bei einer Frequenz liefern kann, die näher an der Resonanzfrequenz liegte |

Beispielsweise Ausführungsformen des Gegenstandes der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, in der

Fig. 1 den Schaltkreis einer fluoreszierenden

Lampe,

Figo 2 ein Ausfuhrungsbeispiel eines Wechselrichters zur Versorgung des in Figo 1 dargestellten Schaltkreises mit einer temperaturabhängigen Vorrichtung zur Veränderung von Spannung und Frequenz,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines Wechselrichters zur Versorgung des in Figo 1 dargestellten Schaltkreises mit einer schalterbetätigten Vorrichtung zur Veränderung von Spannung und Frequenz, und

Fig, 4 ein Ausführungsbeispiel eines Hochleistungswechselrichters zur Versorgung einer sehr großen Zahl von in Fig. 1 dargestellten Schaltkreisen zeigen.

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In Fig. 1 sind die Heizkathoden 11 einer fluoreszierenden Lampe 12 mit einem Serienresonanzkreis verbunden, der eine Induktionsspule 13 und einen Kondensator 14 aufweist und an eine Stromquelle angeschlossen ist, an der im Nebenschluß ein Kondensator 15 liegt, dessen Kapazität derart ausgelegt ist, daß bei Normalbetrieb der Lampe der Leistungsfaktor in der Nähe von 1 liegt» Die Lampe, doh. deren ionenleitende Strecke, ist parallel zum Kondensator IU geschaltet»

Die Induktionsspule 13 ist so ausgelegt, daß sie, nachdem die Lampe leitend geworden ist, die vorgesehene Last aufnehmen kann« Der Kondensator 14 ist so ausgelegt, daß der aus Kondensator und Induktionsspule gebildete Schwingkreis eine Resonanz· frequenz hat, die oberhalb der Frequenz der Stromquelle liegt.

Beim Einschalten fließt ein starker Strom durch die Induktionsspule 13 und heizt die Heizkathoden 11 auf, Infolge der Nähe der Resonanzfrequenz des aus Induktionsspule 13 und Kondensator m gebildeten Schwingkreises bildet sich an dem Kondensator 14 und der Lampe 12 eine Spannung aus, die größer als die Speisespannung ist ο Infolgedessen werden die Heizkathoden 11 von einem Strom aufgeheizt, der stärker als normal ist. Dies sind ideale Bedingungen, die Lampe leitend zu machen ο Wenn der Kreis in Resonanz verbliebe, würde die Erhöhung der Spannung und des Stromes zu groß werden und die Lampe würde zerstört werden (falls der Kreis nicht stark gedämpft ist, was wiederum zur Unbrauchbarkeit der Vorrichtung führen würde). Wenn die Lampe leitend geworden ist, nimmt der effektive Widerstand der Lampe zwischen den Heizkathoden 11 bis auf einen sehr niedrigen Wert ab, wodurch der Kreis derart gedämpft wird, daß seine Resonanzeigenschaften vernachlässigbar klein werden und der Kreis sich im wesent-

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liehen so verhält, als wenn die Induktionsspule 13 mit der Lampe 12 in Reihe geschaltet wäre und einen niedrigen Leistungsfaktor hätte.. Der Kondensator/nimmt zur Erhöhung des Leistungsfaktors den voreilenden Strom auf und ist derart ausgelegt» daß der Leistungsfaktor, wenn die Lampe bei einem gewählten Wert leitet * so nahe bei 1 liegt, wie wirtschaftlich vertretbar ist.

In den Fig. 2 und 3 sind Wechselrichter dargestellt, die zur λ Versorgung einer Vielzahl von Lampen verwendet werden können, von denen jede ihren eigenen Schwingkreis mit in der Nähe der Versorgungsfrequenz liegender Resonanzfrequenz hat. Der Hauptvorteil der Erfindung ergibt sich, wenn der Wechselrichter zur Versorgung einer Vielzahl von Lampen verwendet wird» Beispielsweise nehmen die fluoreszierende Lampe und die in ihrem Schaltkreis angeordneten Elemente, bevor die Lampe leitend geworden ist, einen viel stärkeren Strom auf, als wenn die Lampe bereits unter ihren Betriebsbedingungen arbeitet* Wenn ein Halbleiter-Wechselrichter beginnt, eine große Zahl von fluoreszierenden Lampen zu versorgen, stellt der vor dem Zünden der Lampen fließende Strom eine starke kurzzeitige Belastung dar und der Wechselrichter muß unwirtschaftlich f stark ausgelegt werden, um diese zeitweise Belastung aufnehmen zu könnenο

Bei Anwendung der Erfindung wird dieser Strom auf den normalerweise fließenden Strom reduziert _s injjlem der Wechselrichter zunächst eine verringerte Spannung liefert, die unterhalb von der Spannung liegt» b«i der die Lampe bei Arbeitsfrequenz leitend würde, die aber eine Frequenz aufweist, die näher bei der Resonanzfrequenz liegt. Die Lampe zündet auch bei dieser verringerten Versorgungsspannung, weil die an der Lampe

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anliegende Spannung sich infolge der fast vollständig vorliegenden Resonanz sehr stark steigerte

Wenn genügend Zeit zum Zünden der Lampen vergangen ist, werden die Spannung und die Frequenz plötzlich oder allmählich übergehend auf ihre normalen Betriebswerte eingestellt»

·. Zur Veränderung der Arbeitsweise des Wescheelrichters kann ~ ein Schalter verwendet werden, durch den Schaltkreiselemente wie Kondensatoren» Widerstände oder Induktionsspulen zu- oder abgeschaltet werden oder durch den die Anzapfung an Transformatoren verändert wird» Dieser Schalter kann von Hand oder automatisch in Abhängigkeit von der Zeit, von der Temperatur eines Bauteils oder von einem Strom betätigt werden. Anstelle von Schaltern können auch temperaturabhängige, in den Kreis geschaltete Elemente verwendet werden, so daß der Wechselrichter bei allmählich zunehmender Spannung einen Bereich von Frequenzen durchläuft, bevor er seine normale Betriebsfrequenz erreicht. Bei Verwendung von temperaturabhängigen Schaltelementen kann mehr oder weniger garantiert werden, daß bei der Fabrikation der Lampen auftretende zufällige Unterschiede bewirken, daß die Lampen eine nach der anderen zünden und nach dem Zünden schwach weiterbrennen, bis der Wechselrichter mit seiner normalen Frequenz und Spannung arbeitet«

Fig. 2 zeigt einen Phasenschieber-Wechselrichter, der von temperaturabhängigen Schaltelementen abhängig ist. Dies können normale, mit Bimetall Schaltern versehene Widerstände sein, die unter Verwendung der von einem ständig im Kreis liegenden Widerstand erzeugten Wärme einen anderen

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Widerstand im Nebenschluß anschließen, je nach dem, ob sie heiß oder kalt sind, um auf diese Weise die gewünschte Abhängigkeit zwischen Widerstand und Temperatur zu erzeugen. Der Kollektor eines Transistors 20 ist an eine Versorgungsleitung über einen Belastungswiderstand/und an die Basis des gleichen Transistors 20 über 3 Stufen eines Phasenschiebers angeschlossen, von denen jede einen Kondensator 22 und einen temperaturabhängigen Widerstand 23 aufweist. Die temperaturabhängigen Widerstände 23 haben anfangs einen niedrigen Widerstandswert (sodaß die Frequenz des Wechsel- I

richters hoch ist). Der Widerstandswert nimmt zu, wenn die Widerstände sich erwärmen, sodaß die Frequenz abnimmt Wenn der Widerstandswert gering ist, ist die an der Basis des Transistors 20 anliegende Spannung ein kleinerer Teil der Kollektorspannung, als wenn der Widerstand größer wird. Infolgedessen ist die Kollektorspannung ebenso kleiner.. Aus diesem Grunde nimmt die Kollektorspannung zu, wenn die Widerstände sich erwärmen, während die Frequenz dabei abnimmt.

Die Basis und der Emitter des Transistors 21 sind über Widerstände 2¹* bzwo 25 geerdet * Der Widerstand 25 wird zumindest g zu einem Teil im Nebenschluß von einem Kondensator 26 überbrückt , um die gewünschte Vorspannung für den Transistor zu erzielen■, Es ist möglich, einen oder beide Widerstände 2t und 25 temperaturabhängig auszubilden„ Wenn beispielsweise der Widerstand 24 eine große Masse und einen großen positiven TemperaturKoeffizienten hat, ist es möglich, Frequenz und Spannung innerhalb verschiedener Zeitspannen zu verändern, sodaß die Frequenz abnimmt und die Spannung zunimmt, wobei die Zunahme der Spannung eine längere Zeit

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in Anspruch nimmt als die Abnahme der Frequenz*

Um zu vermeiden, daß die Frequenz des Wechselrichters durch die Kreise dei» Lampen beeinflußt wird, ist es zweckmäßig, einen Puffer-Verstärker 27 und einen Ausgangstransformator 28 zu verwenden.

Fig. 3 zeigt einen abgestimmten Wechselrichter mit Schaltern für die Änderung der Spannung und der Frequenz. Ein Transistor 31 hat einen abgestimmten Kollektorkreis mit einer ange- |P zapften Induktionsspule 32 und einem Kondensator 33 <· Der · Kollektor kann mit Hilfe eines mehrfache Schaltstellungen aufweisenden Schalters 34 an jede der Anzapfungen der In duktionsspule 32 angeschlossen werden- Eine Rückkopplungsspule 35 ist elektromagnetisch mit der Induktionsspule 32 gekoppelte Zu Beginn muß die Induktionsspule eine geringe Induktivität haben„ Wiederum ist ein Puffer-Verstärker 36 vorgesehen, jedoch zur Leistungsab abe wird in diesem Falle ein Anzapf·=-Transformator 37 verwendet. Zur Auswahl der Abgabespannung ist ein Schalter 38 mit mehreren Schaltstellungen vorgesehen» Die Schalter 34 und 38 werden von Hand oder mit Hilfe einer Automatik betätigt, die tem|)eratur- strom- oder zeitabhängig arbeitet und durch einen Block 39 schematisch dargestellt ist.

Fig. U zeigt einen HoGhleistungswechselrichter, Ein astabiler Multivibrator 41, dessen Frequenz durch einen verstellbaren Widerstand ur.d eine zuschaltbex-e Widerstandskette einstellbar ist _s wird zur Steuei'ung zweier Leistungstransistoren MH verwendet Pu; Ausgangsleistung. wiiM einem Transformator UF aui'ßOfiiiiMi«, dor υ 5 run ν: r ■* ■ ■··!■ ι hären Anzapfwähler 16 aufweist Di" Vfel.jmi^; «'■ in wird fur-/■ « ■.; Induktionsspule

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47 und einen Kondensator 48 verbessert. Zur Eliminierung unerwünschter Impulse werden Schutzdioden oder Zenerdioden 49 verwendet. Der Anzapfwähler 46 und die zuschaltbare Widerstandskette werden, wie oben beschrieben, in Abhängigkeit von der Temperatur eines Bauteiles, von der Zeit, einem Strom oder von Hand gesteuert.

Wenn eine Lampe bei verminderter Spannung nicht zündet (oder wenn eine leitend gemachte Lampe bei verminderter oder voller Spannung abgeschaltet worden ist), zündet sie wieder bei ^

voller Spannung, sobald diese erreicht istο

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft bei Installationen anwendbar, bei denen die Kabelstärke von Bedeutung ist, wie beispielsweise in Kohlenbergwerken oder anderen Bergwerken. Der Grund hierfür liegt darin, daß in jedem Fall die zur Korrektur des Leistungsfaktors dienenden Kondensatoren, die in der Nähe oder in den Lampenanschlüssen angeordnet sein müssen, einen starken voreilenden Strom aufnehmen und dieser von keinem nacheilenden Strom kompensiert wird, bis die Lampen leitend werden= Hieraus ergeben sich sehr unvorteilhafte Belastungsbedingungen für die Kabel and die Wechselrichter» Die unvorteilhaften Lastspitzen können durch die Erfindung " vermieden werdenο

Im folgenden wird ein Beispiel für einen Wechselrichter mit einer Ausgangsspannung von beispielsweise 110 Volt gegeben, der im Normalbetrieb mit 1000 Hz arbeitet und einen Kreis versorgt, dessen Ressonanzfrequenz bei 1500 Hz liegt ο

Der· Wechselrichter läuft beim Anschalten zunächst mit 1500 Hz, während die Aur-, gangsapannung nur etwa 30 Volt beträgt ,

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Infolge der Resonanz des jeder Lampe zugeordneten Schwingkreises bilden sich an jeder Lampe eine größere Spannung und ein stärkerer Strom aus, als bei der kleinen Ausgangsspannung zu erwarten ist ο Es können jedoch zunächst nicht alle Larapen leitend werden. Der Wechselrichter ist so gebaut» daft die Spannung allmählich oder schrittweise auf 110 Volt zunimmt und die Frequenz allmählich oder schrittweise auf 1000 Hz abnimmt. Hierbei zünden die verbleibenden Lampen nacheinander und in unregelmäßiger Reihenfolgeα

Zu den Zeitpunkt» zu dem der Wechselrichter seine normalen Betriebswerte erreicht hat, haben alle Laspen in unregelmäßiger Reihenfolge gezündet» wobei sichergestellt ist, daß beim Zünden der Lampen auftretende Spannungsstöße von dem Wechselrichter nicht gleichzeitig aufgenommen werden müssen_o

Durch die Start- und Betriebsfrequenzen (dch. ISOO Hz und 1000 Hz) stehen die Charakteristika der in dem Schaltkreis angeordneten frequenzregulierenden Elemente fest. Nachdem diese feststehen, können die im Schaltkreis angeordneten Spannungsregulierenden Elemente ausgelegt werden. Wenn die automatische zeitabhängige Steuerung einer Handsteuerung vorgezogen wird, muß darauf geachtet werden, daß durch eine entsprechende Auswahl aller im Schaltkreis angeordneten Elemente die gewünschte Zeitabhängigkeit erzielt wird.

Patentansprüche:

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Claims

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P_a_t_e_n_t^a η Sprüche ;

( X.J Elektrischer Schaltkreis für Verbraucher, die zum Betrieb leitend gemacht werden müssen, beispielsweise für eine fluoreszierende Lampe, mit Schaltkreiselementen, von de· nen eines mit dem Verbraucher in Reihe und eines parallel zum Verbraucher geschaltet ist und die bei einer bestimmten Frequenz in Resonanz liegen, wobei für die Spannungsversorgung des Verbrauchers und der Schaltkreisele- λ mente ein Wechselrichter vorgesehen ist, dessen Frequenz unterhalb der Resonanzfrequenz liegt, dadurch gekennzeichnet , daß der Wechselrichter mit einer Vorrichtung (23,24; 34,38; »43,46) versehen ist, durch die er eine herabgesetzte Spannung bei einer Frequenz liefern kann, die näher an der Resonanzfrequenz liegt.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher eine Gasentladungsvorrichtung (32) mit mindestens einer Glühkathode (11) ist und die Schaltkreis«lernente ein Kondensator (14) und eine Induktionsspule (13) sind, die zueinander und mit f

der Glühkathode (11) in Reihe geschaltet sind, wobei die Gasentladungsvorrichtung (12) parallel zu dem Kondensator (11) geschaltet ist_t sodaß dieser im Nebenschluß überbrückt ist, wenn die Gasentladungsvorrichtung (12) leitend geworden ist,

i. Schall kreis ;i--*-*h den Anspx-üttUen ί und 2> dadurch g e k e η ": e i c h η e i< daß die Vorrichtung zur änderung vor spannung und Frequenz des Wechselrichters

= 12 -

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aus temperaturabhängigen Schaltelementen (23,24) besteht_o

4„ Schaltkreis nach den Ansprüchen 1 und 2_sdadurch gekennzeichnet _s daß die Vorrichtung zur Veränderung von Spannung und Frequenz des Wechselrichters aus Schaltern (34,38; 43»46) besteht«

5. Schaltkreis nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Wechselrichter einen astabilen Multivibrator (41) aufweist, der mit einer Schaltvorrichtung (43) zur Veränderung seiner Impuls« frequenz versehen ist und Thyristoren (4Ό steuert» in deren Ausgang eine Vorrichtung (HS,48) zur Veränderung der Ausgangespannung angeordnet ist,

II.- Rc 'Zi

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