DE3125074A1

DE3125074A1 - "frequenzwandler zur speisung einer elektrodenlosen entladungslampe"

Info

Publication number: DE3125074A1
Application number: DE19813125074
Authority: DE
Inventors: Henk Haukes
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1980-07-21
Filing date: 1981-06-26
Publication date: 1982-03-18
Also published as: FR2487140B1; GB2080652B; DE3125074C2; FR2487140A1; JPS5752378A; BE889686A; JPH0243432B2; US4415838A; GB2080652A; NL8004175A; CA1167902A

Description

M.V»PHILIPS«GLOBILAMPENFABRIEEEN ^

PHN 9803 / \ 13-02-1981

^O -

Frequenzwandler zur Speisung einer elektrodenlosen Entladungslampe.

Die Erfindung betrifft einen Frequenzwandler zur Speisung einer elektrodenlosen Entladungslampe mit einer Frequenz von mindestens 0/5 MHz, der mit zwei Eingangsanschlüssen zum Anschliessen an eine Gleichspannungsquelle versehen ist, die miteinander durch eine erste Serienschaltung aus einem Halbleiterschaltelement mit einer Steuerelektrode, einer ersten Spule und einer Parallelschaltung mindestens eines ersten Abzweigs, der¹ eine zweite Spule enthält, und eines zumindest einen Kondensator enthaltenden Abzweigs verbunden sind, wobei im Betriebszustand der Lampe die zweite Spule mit einer Entladungsbahn dieser Lampe gekoppelt ist.

Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Lampeneinheit, die mit einem derartigen Frequenzwandler und einer elektrodenlosen Entladungslampe ausgerüstet ist.

Ein Frequenz von mindestens 0,5 MHz bietet zur Speisung einer elektrodenlosen Entladungslampe den Vorteil, dass die Ausbeute der Einkopplung von der zweiten Spule in die Entladungsbahn in der Regel gross ist.

Ein bekannter Frequenzwandler eingangs erwähnter Art ist beispielsweise in der US-PS 3 500 118 beschrieben. Ein Nachteil dieses bekannten Frequenzwandlers ist, dass seine Ausbeute verhältnismässig niedrig ist. Dies ist u.a. der Steuerung des Halbleiterschaltelementes mit einem einen Widerstand enthaltenden Steuerkreis zuzuschreiben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzwandler anzugeben, dessen Ausbeute hoch ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Frequenzwandler eingangserwähnter Art gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die Steuerelektrode und eine Hauptelektrode des gesteuerten Halbleiterschaltelements durch eine Sekundärwicklung eines Transformators miteinander verbunden sind und eine Primärwicklung dieses Transformators einen Teil der Parallelschaltung bildet, dass parallel zu einer Wicklung des Transformators ein Durchschlagelement geschaltet ist und das Übersetzungsverhältnis des Tranformators so gross ist, dass im Betriebszustand die Spannung über diese Durchschlagselementden Durchschlagswert erreicht, und das Halbleiterschaltelement

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ein Power-MOS-Fet ist.

Die Ausbeute dieses Frequenzwandlers ist ziemlich hoch, weil die Steuerung des Halbleiterschaltelements nahezu verlustlos ist. Ausserdem kann infolge des Durchschlagselementes das Steuersignal rechteckig sein. Dies ist zur Herabsetzung elektrischer Verluste im Halbleiterschaltelement selbst förderlich. Auch führt der angegebene Typ von Halbleiterschaltelement dabei zu einer weiteren Vergrösserung der Ausbeute.

Der Erfindung liegt u.a. die Erkenntnis zugrunde, durch eine bessere Steuerung des Halbleiterschaltelements des Erequenzwandlers zu einer höheren Ausbeute dieses Wandlers zu gelangen und damit zu einer höheren Systemausbeute (Lumen pro Watt) der Kombination dieses Erequenzwandlers mit einer zu speisenden elektrodenlosen Entladungslampe. Der zu benutzende Transformator kann durch die hohe Arbeitsfrequenz von mindestens 0,5 MHz klein sein.
Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform eines Frequenzwandlers nach der Erfindung ist das gesteuerte Halbleiterschaltelement als VMOS ausgeführt. Unter einem VMDS sei hier ein Power-MOS-Fet verstanden, bei dem eine Hauptelektrode (source) an der einen Seite des Kristalls des Halbleiterschaltelements liegt und die andere Hauptelektrode (drain) an der anderen Seite dieses Kristalls vorgesehen ist (vertical Power MDS-FET).

Ein vorteil dieser bevorzugten Äusführungsform besteht darin, dass die Ausbeute dabei sehr hoch ist, weil die Verluste im Halbleiterschaltelement sehr gering sind. Ausserdem kann die Arbeitsfrequenz gross sein, beispielsweise 2 MHz oder darüber. Hierdurch wird die Einkopplung der zweiten Spule in die elektrodenlose Entladungslampe vergrössert, wodurch sich ein weiterer Beitrag zur höheren Systemausbeute ergibt.

Es sei bemerkt, dass ein mit einem VMOS versehener Frequenzwandler, der mit zwei Eingangsanschlüssen zum Anschliessen an eine Gleichspannungsquelle ausgerüstet ist, und wobei der VMOS in Serie mit einer eine Fluoreszenzlampe enthaltenden Parallelschaltung geschaltet ist, an sich aus "VMOS Application Ideas", I.T.T. Edition 1979/8, S.7 und 8 bekannt ist. Es handelt sich dabei jedoch nicht um die Speisung einer elektrodenlosen Lampe.

Ein erfindungsgemässer Frequenzwandler ist beispielsweise mit nur einem Halbleiterschaltelement ausgerüstet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines Frequenzwandlers nach der Erfindung bildet die erste Spule zusammen mit der Parallelschaltung einen Teil eines Mittelabzweigs einer Brückenschaltung, die

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weiter noch mit vier Brückenabzweigen versehen ist, von denen der erste Brückenabzweig einen ersten Hilfskondensator, der zweite Brückenabzweig einen zweiten Hilfskondensator, der dritte Brückenabzweig den VMDS enthält und der vierte Brückenabzweig mit einem zweiten VMOS versehen ist, wobei die erste Serienschaltung zwischen den Eingangsanschlüssen ferner den ersten Hilfskondensator enthält und der erste und der zweite Brückenabzweig sowie der dritte -und der vierte Brückenabzweig jeweils in Serie geschaltet sind, und die Serienschaltung des ersten und des zweiten Brückenabzweigs parallel zur Serienschaltung des dritten und des vierten Brückenabzweigs geschaltet ist.

Ein Vorteil dieser bevorzugten Aasführungsform ist, dass die Spannung zwischen den Hauptelektroden eines Halbleiterschaltelements höchstens gleich der Grosse der Gleichspannung zwischen den Eingangsanschlüssen des Erequenzwandlers sein kann. Die betreffenden beiden HaIb- leiterschaltelemente brauchen daher nicht viel höhere Spannungen aushalten zu können.

Der Frequenzwandler wird über seine Eingangsanschlüsse beispielsweise an eine Batterie angeschlossen.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Frequenzwandler, der mit einer zweiphasigen Gleichrichterhilfsanordnung mit zwei Eingangsanschlüssen und zwei Ausgangsanschlüssen ausgerüstet ist, welche Eingangsanschlüsse zum Anschliessen an eine Wechselspannungsquelle mit einer Frequenz unter 500 Hz bestimmt sind, und ein Aasganganschluss an einen Eingangsanschluss des Frequenzwandlers und der andere Ausgangsanschluss an den anderen Eingangsanschluss des Frequenzwandlers angeschlossen ist.

Ein Vorteil dieser bevorzugten Aasführungsform besteht darin, dass sie direkt an ein übliches Niederfrequenzwechselspannungsnetz beispielsweise von 50 oder 60 Hz oder an ein Speisenetz beispielsweise von 400 Hz auf Schiffen angeschlossen werden kann.

Die Erfindung bezieht sich schliesslich auch auf eine Lampeneinheit, die mit einem derartigen Frequenzwandler und einer elektrodenlosen Entladungslampe ausgerüstet ist, wobei die zweite Spule des Freqaenzwandlers mit einer Entladungsbahn der elektrodenlosen Entladungslampe gekoppelt ist.

Ein Vorteil dieser Lampeneinheit ist, dass sie eine hohe Systemäusbeute hat und auf einfache Weise an ein übliches Wechselspannungsnetz angeschlossen werden kann. Beispielsweise kann diese Lampeneinheit statt einer Glühlampe benutzt werden.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung eines Frequenzwandlers sowie einer zweiphasigen Gleichrichterhilfsanordnung; Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Längeneinheit mit einer elektrodenlosen Niederdruckquecksilberdanpfentladungslampe und einer Schaltungsanordnung nach Fig. 1.

In Fig. 1 sind 1 und 2 Eingangsanschlüsse zum Anschliessen an eine Wechselspannungsquelle von etwa 220 V, 50 Hz. Zwischen den Anschlüssen 1 und 2 ist ein Entstörgerät 3 angeschlossen. Die Anschlüsse 1 und 2 sind ebenfalls die Eingangsanschlüsse einer zweiphasigen Gleichrichterhilf sanordnung, die eine mit vier Dioden ausgerüstete Gleichrichterbrücke 4 enthält. Ein Ausgangsanschluss 5 der Gleichrichterhilfsanordnung ist auch der Eingangsanschluss eines Frequenzwandlers. Der zweite Ausgangsanschluss 6 der Gleichrichterhilfsanordnung ist ebenfalls ein zweiter Eingangsanschluss des Frequenzwandlers.

Die beiden Eingangsanschlüsse 5 und 6 des Frequenzwandlers sind an einen Hauptkondensator 7 angeschlossen der im Betriebszustand der Schaltung eine Gleichspannungsquelle für diesen Frequenzwandler bildet. Die Eingangsanschlüsse 5 und 6 des Frequenzwandlers sind durch eine erste Serienschaltung aus einem ersten Hilfskondensator 8, einer Parallelschaltung einer Spule 9 einerseits und einer Reihenverbindung eines Kondensators 10 und einer Primärwicklung 11 eines Strcmtransformators 12 andererseits, einer Spule 13 und einem als VMOS ausgebildeten, mit einer Steuerelektrode versehenen Halbleiterschaltelement 14 miteinander verbunden. Die Spule 13 wird mit erster Spule, die Spule 9 mit zweiter Spule bezeichnet. '

Die zweite Spule 9 ist mit der Entladungsbahn einer in Fig. 1 schematisch dargestellten elektrodenlosen Entladungslampe 15 gekoppelt. Für Einzelheiten über die Spule 9 und die Lampe 15 sei auf Fig. 2 verwiesen.

Der Frequenzwandler enthält weiter einen zweiten Hilfskondensator 16, der mit dem ersten Hilfskondensator 8 in Serie geschaltet und weiter an den Anschluss 6 angeschlossen ist.

Auch ist ein zweiter gleichartiger VMOS 17 vorgesehen, der mit dem ersten VMOS 14 in Serie geschaltet und weiter mit dem Anschluss 5 verbunden ist.

In diesem Kreis bildet die Kombination der Schaltungselemente

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9, 10, 11 und 13 den Mittelabzweig einer Brückenschaltung, deren Schaltungselemente 8, 16, 17 und 14 sich in den einzelnen vier Brückenabzweigen befinden. Der erste (8) und der zweite Brückenabzweig (16) sind in Serie geschaltet. Der dritte (14) und der vierte Brückenabzweig (17) sind jedenfalls in Serie geschaltet. Weiter liegt die Serienschaltung des ersten und des zweiten Brückenabzweigs (8, 16) parallel zur Serienschaltung des dritten und des vierten Brückenabzweigs (17, 14).

Der Transformator 12 besitzt zwei Sekundärwicklungen 18 und Die Wicklung 18 ist ein Teil des Steuerkreises des VMOS 17; sie verbindet eine Steuerelektrode des VMDS 17 mit einer Hauptelektrode dieses VMDS. Die Enden der Wicklung 18 sind durch ein Durchschlagselement verbunden , das aus zwei entgegengesetzt in Reihe geschalteten Zenerdioden 20 und 21 besteht. Die Wicklung 19 ist ein Teil eines Steuerkreises des VMDS 14; sie verbindet eine Steuerelektrode mit einer Hauptelektrode des VMOS 1-4. Die Enden der Sekundärtransformatorwicklung 19 sind durch ein Durchschlagselement verbunden, das aus zwei entgegengesetzt in Reihe geschalteten Zenerdioden zunächst unbelasteten Parallelschaltung 9, 10,11 eine Schwingung. Sie sperrt jetzt über den Transformator 12 den VMOS 14 und macht den VMOS leitend. Hierdurch fliesst ein Strom u»a. im Kondensator 16. Danach wird wieder der VMOS 17 gesperrt und der VMOS 14 leitend usw.

Die Ströme, die dabei die zweite Spule 9 durchfHessen, bewirken in der Entladungsbahn der elektrodenlosen Entladungslampe 15 eine Entladung, wodurch diese leuchtet.

Mit Hilfe der Zenerdioden 20 bis 23 sind die Steuersignale für die VMOS-Schaltelemente 14 und 17 rechteckig gemacht.

In einem praktischen Äusführungsbeispiel haben die Schaltungselemente ungefähr die in der nachstehenden Tabelle angegebenen Werte.

. _ _ _. ; TABELLE

; Kondensator 7 8 xxF ;

t Kondensator 8 22 nF

\ Kondensator 10 560 pF

^ Kondensator 16 · 22 nF

• Kondensator 25 _: 2,7 nF

Spule 9 - "■ 5~~~λιΗ~

Spule 13 30 .uH

Widerstand 24 1 Mil

JSenerspannung der_.Zenerdiqden 20 bis 23 5,6 V

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Durchschlagspannung des

Schaltungselements 26 ^{40 Volt}

Transformator-Erimärwicklung 11 2 Windungen

Sekundärwicklung 18 15 Windungen

Sekundärwicklung 19 15 Windungen

In diesem Fall ist die Arbeitsfrequenz etwa 3 MHz. Der wirksame Strom durch die Spule 13 beträgt etwa 0,25 A und der durch die Spule 9 etwa 06 A. Dieser Wandler arbeitet im D-Betrieb. Ohne die Zenerdicden 20 bis 23 wurden die Steuerspannungen der WDS 14 und 17 10 V übersteigen.

In Fig. 2 ist eine mit der beschriebenen Schaltungsanordnung ausgerüstete Lampeneinheit dargestellt.

In Fig. 2 ist 15 wiederum die elektrodenlose Entladungslampe, hier im Längsschnitt dargestellt. 9 stellt die zweite Spule des Parallelkreises 9, 10,11 dar; siehe weiter Fig. 1.

Die elektrodenlose Entladungslampe 15 hat Ähnlichkeiten mit der Lampe, die in der nicht vorveröffentlichten DE-OS 3008535 beschrieben ist.

Die elektrodenlose Entladungslampe 15 besitzt eine Glaskolben 41 und einen Sockel 42. Die Innenwand des Lamperikolbens 41 ist mit einer Leuchtstoffschicht 43 versehen, die die im Lampenkolben erzeugte Ultraviolettstrahlung in sichtbares Licht umwandelt. Im Lampenkolben befinden sich ein rohrförmiger Kanal 44 in Form eines Bogens, in den mit Hilfe einer Klemmverbindung (nicht dargestellt) ein halbrunder Ferritkern 45 aufgenommen ist. Es wird mit Hilfe eines gesonderten Ferrit j ochs 46 zu einem geschlossenen Ferritring vervollständigt. Das Joch 46 befindet sich im Lampensockel 42. Die Trennlinie der beiden Ferritteile befindet sich in der Ebene 47a - 47b. IM das Joch 46 herum ist die Spule 9 gewickelt. Die Spule 9 könnte auch teilweise oder völlig um das Ferritteil 45 gewickelt sein. Die Spule 9 wird mit Hochfrequenz gemäss der Beschreibung der Fig. 1 gespeist. Der Block 49 in Fig. 2 enthält die Gesamtheit der Schaltungselemente 3 bis 8, 10 bis 14 und 16 bis 26 der Fig. 1.

1 und 2 sind Anschlüsse einer Schraubhülse 51 zum Anschliessen an das Speisenetz von z.B. 220 V, 50 Hz. 52 sind Verbindungsdrähte der Anschlüsse 1 und 2 zum Block 49.

in einem Ausführungsbeispiel der beschriebenen Längeneinheit beträgt der Durchmesser des kugelförmigen Glaskolbens etwa 80 mm. Im Lampenkolben befinden sich eine Quecksilbernenge (etwa 20 mg) und Argon unter einem Druck von etwa 190 Pa. An der Innenwand des Lampenkolbens

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befindet sich eine Leuchtstoff schicht, die aus einer Mischung dreier Phosphore, und zwar aus blau lumineszierendem mit zweiwertigem Europium aktiviertem Bariummagnesiuiraluminat, grüne lumineszierendem mit Terbium aktivierten Ceriummagnesium-aluminat und rot lumineszierendem mit dreiwertigem Europium aktivierten Yttriumoxid besteht. Die Äussenwand des rohrförmigen Kanals 44 ist mit einer reflektierenden Schicht 43a (Titanoxid) versehen. Diese Schicht ist elektrisch nicht leitend, um die Einkopplung der Spule 9 in die Entladungsbahn des Lampenkolbens 41 nicht zu stören. Die Schicht 43a ist auch an der dem Lampensockel zugekehrten Wand des Lampenkolbens angebracht. Der magnetische Werkstoff des Ringkerns 45, 46 besteht aus einem Ferrit mit einer Permeabilität von etwa 100. Die Spule 9 besteht aus acht Windungen eines Kupferfoliebandes mit einer Breite von etwa 2 mm und einer Dicke von etwa 0,1 ran. Der Hochfrequenzoszillator hat, wie bereits bemerkt, eine Frequenz von etwa 3 MHz.

Bei einer zugeführten Leistung von etwa 17 W beträgt der Lichtstrom 850 Lumen. Die Ausbeute des Erequenzwandlers beträgt gut 80%. Die Systemausbeute (Lampe + Speisung) beträgt etwa 50 Lumen/W.

Die hote Ausbeute des beschriebenen Frequenzwandlers wird dadurch erreicht, dass die Verluste in den Steuerkreisen der Halbleiterschaltelemente sowie die Verluste in den Halbleiterschaltelementen selbst klein sind.

Die beschriebene Lampeneinheit kann beispielsweise eine Glühlampe ersetzen.

Claims

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PATENTANSPRÜCHE:

Frequenzwandler zum Speisen einer elektrcdenlosen Entladungslampe mit einer Frequenz von mindestens 0,5 MHz, der mit zwei Eingangsanschlüssen zum Anschliessen an eine Gleichspannungsquelle versehen ist, die miteinander durch eine erste Serienschaltung aus einem Halbleiterschaltelement mit einer Steuerelektrode, einer ersten Spule und einer Parallelschaltung von mindestens einem ersten Abzweig, der eine zweite Spule enthält, und einem zumindest einen Kondensator enthaltenden Abzweig verbunden sind, wobei im Betriebszustand der Lampe die zweite Spule mit einer Entladungsbahn der Lampe gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode und eine Hauptelektrode des gesteuerten Halbleiterschaltelements (14) miteinander durch eine Sekundärwicklung (19) eines Transformators (12) verbunden sind und eine Primärwicklung (11) dieses Transformators ein Teil der Parallelschaltung (9,10,11) ist, dass parallel zu einer Wicklung (19) des Transformators ein Durchschlagselement (22,23) geschaltet ist und das übersetzungsverhältnis des Transformators (12) so gross ist, dass im Betriebszustand die Spannung über diesem Durchschlagselement (22,23) den Durchschlagwert erreicht, und das Halbleiterschaltelement (14) ein Power-MOS-FET ist.
2. Frequenzwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gesteuerte Halbleiterschaltelement (14) als VMDS ausgebildet ist» 3 ο Frequenzwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spule (13) zusammen mit der Parallelschaltung (9,10,11) ein Teil eines Mittelabzweigs einer Brückenschaltung ist, die mit vier Brückenabzweigen ausgerüstet ist, von denen der erste Brückenabzweig einen ersten Hilfskondensator (8), der zweite Brückenabzweig einen zweiten Hilfskondensator (16), der dritte Brückenabzweig den VMOS (14) enthält und der vierte Brückenabzweig mit einem zweiten VMDS (17) versehen ist, und die erste Serienschaltung (5,8,9,10,11,13,14,6) zwischen den Eingangsanschlüssen (5,6) auch den ersten Hilfskondensator (8) enthält, wobei der erste und der zweite Brückenabzweig (8,16) in Serie und auch der dritte und der vierte Brückenabzweig (14,17) in Serie geschaltet sind, und die Serienschaltung des ersten und des zweiten Brückenabzweigs · (8,16) parallel zur Serienschaltung des dritten und des vierten Brückenabzweigs

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(14,17) geschaltet ist.

4. Frequenzwandler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es Tnit einer zweiphasigen Gleichrichterhilfsanordnung (4) verbunden ist, die mit zwei Eingangsanschlüssen (1,2) und zwei Ausgangs-

g anschlüssen versehen ist, wobei die Eingangsanschlüsse (1,2) zum Anschliessen an eine Wechselspannungsquelle bestimmt sind, deren Frequenz kleiner als 500 Hz ist, und ein Ausgangsanschluss an einen Eingangsanschluss (5) des Frequenzwandlers und der andere Ausgangsanschluss an den anderen Eingangsanschluss (6) des Frequenzwandlers angeschlossen ist.