FI109446B - Järjestely purkauslampun yhteydessä - Google Patents

Description

109446 Järjestely purkauslampun yhteydessä Keksinnön tausta Tämän keksinnön kohteena on järjestely purkauslampun yhteydessä, joka järjestely käsittää elektronisen liitäntälaitteen purkauslampun sytyttä-5 miseksi sekä polttamiseksi ja jännitteensäätölaitteen, joka on sovitettu muokkaamaan liitäntälaitteen syöttöjännitettä ja sisällyttämään syöttöjännitteeseen tehonsäätösignaalin.

Hehkulamppujen kirkkauden säätäminen, eli himmentäminen, voidaan suorittaa yksinkertaisesti säätämällä niille syötettävää käyttöjännitettä.

10 Vaihtovirtakäytöissä jännitteen tehollisarvoa säädetään niin sanotulla leikkaus-säädöllä. Siinä tyristori tai jokin muu puolijohdekomponentti ohjataan johtavaksi vain osan jännitteen puolijakson ajaksi. Käytännössä siis osa verkkojännit-teen siniaallosta leikataan pois. Säätäminen toteutetaan siten ohjaamalla puolijohdekomponentin sytytyskulmaa puolijaksossa.

15 Tasavirtakäytöissä säätölaitteen hyötysuhteen pitämiseksi hyvänä käytetään pulssitettua eli pulssinleveysmoduloitua (PWM) tasajännitettä. Tällöin pulssitetun tasajännitteen keskiarvo muodostuu pulssisuhteen mukaisesti, eli 50% pulssisuhde vastaa noin 50% jännitearvoa. Pulssitaajuuden ollessa riittävän korkea (esimerkiksi 50 Hz) näkee ihmisen silmä valon vilkkumattoma-20 na. Tämä johtuu silmän hitaudesta sekä hehkulangan termisestä massasta, joka aiheuttaa hitautta hehkulangan lämpötilan muutokselle. Hehkulampun • ; säätökäytöissä säädin voi sijaita hehkulampusta erillään, ja tyypillisimmin se asennetaan valokatkaisijan yhteyteen.

Loistevalokäytössä ja muissa purkauslampuissa säätö on huomat-25 tavasti monimutkaisempaa, koska loisteputki vaatii erilliset putkijännitteen ja hehkujännitteiden tehonsyötöt nykyaikaista elektronista liitäntälaitetta käytettä-t.# : essä. Tästä syystä loisteputki vaatii erillisen liitäntälaitteen, joka sijaitsee lois- teputken yhteydessä. Liitäntälaite antaa loisteputken katodeille eli hehkulan-·;** goille oman jännitteensä sekä putkelle omansa. Valon säätötilanteessa putki-30 jännitettä tai putkivirtaa ja hehkujännitettä säädetään toisistaan erillään. Käyt-tösyistä säädin ei voi sijaita valaisimen yhteydessä, sillä valaisin sijoitetaan ./ usein vaikeasti päästäviin paikkoihin, kuten kattoon. Säädin onkin sijoitettava paikkaan, josta valoja yleensä ohjataan. Tällöin säätöä varten tarvitaan virran- • · ’···’ syöttöjohtimien lisäksi erillinen liitäntälaitteelle tuleva ohjausjohdin tai johdinpa-35 ri. Tarve useisiin johtimiin on epäkäytännöllinen ja hankaloittaa säädinratkai-sun jälkiasentamista normaalilla periaatteella toimivan valaisimen tilalle.

109446 2

Loisteputkilla toteutettu säädettävä valaistus olisi ihanteellinen niin energiataloudellisuuden kuin käyttäjäystävällisyydenkin puolesta useisiin eri kohteisiin. Loisteputkilla tuotettavan valon värintoisto-ominaisuudet ovat ylivertaiset tavalliseen hehkulamppuvalaistukseen verrattuna. Tyypillisiä käyttökoh-5 teitä loisteputkilla himmennettävästi valaistaviksi ovat esimerkiksi luento- ja kokoussalit, teatterit ja yleiset kulkuneuvot. Lisäksi asumusten viihtyisyyttä, käytännöllisyyttä ja mukautettavuutta voidaan merkittävästi parantaa säädettävissä olevalla valaistuksella.

Keksinnön lyhyt selostus 10 Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada järjestely, joka välttää edellä mainitut epäkohdat, ja mahdollistaa loisteputken valotason säätämisen yksinkertaista laitteistoa käyttämällä ilman erillisiä säätöön tarkoitettuja johtimia. Tämä tarkoitus saavutetaan keksinnön mukaisella järjestelyllä, jolle on tunnusomaista se, että jännitteensäätölaite on sovitettu muokkaamaan lii- 15 täntälaitteen perustaajuista syöttöjännitteen pulssimuotoa tehonsäätöinfor-maation sisällyttämiseksi syöttöjännitteeseen, jolloin järjestely käsittää lisäksi tehosuodattimen ja säätösuodattimen tehonsäätösignaalin erottamiseksi syöt-töjännitteestä, liitäntälaitteen ollessa vasteellinen tehonsäätösignaalille loisteputken valotason säätämiseksi.

20 Keksinnön mukainen järjestely perustuu siihen ajatukseen, että jän- nitteensäätölaitteella, kuten esimerkiksi leikkaussäädön toteuttavalla säätimel-lä, muokataan syöttöjännitettä kuten hehkulampun yhteydessä. Pulssitetusta jännitteestä erotetaan sitten erillisellä säätösuodattimella tehonsäätösignaali, jonka perusteella liitäntälaitteella ohjataan toivottu virta loisteputkelle sen polt-.···. 25 tamiseksi toivotulla kirkkaudella. Järjestelyn ansiosta loisteputkea voidaan ohjata ilman ylimääräistä ohjausjohdinta tai johdinparia, ja kirkkauden säätämi-. seen voidaan käyttää yksinkertaista säädintä, jota aikaisemmin on voitu käyt-tää ainoastaan hehkulamppujen yhteydessä.

Kuvioiden lyhyt selostus .···; 30 Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yh- •» · ,,· teydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista: : Kuvio 1 esittää keksinnön mukaista järjestelyä tasavirtakäytön yh- teydessä, ja

Kuvio 2 esittää keksinnön mukaista järjestelyä vaihtovirtakäytön yh- 35 teydessä.

109446 3

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Seuraavassa järjestelyä on kuvattu esimerkinomaisesti loisteputken yhteydessä, mutta on ymmärrettävää, että keksintöä voidaan soveltaa myös muiden purkauslamppujen yhteydessä. Kuviossa 1 on esitetty keksinnön mu-5 kaisen järjestelyn soveltamista tasavirtakäytön yhteydessä. Lampun polttamiseen käytetään tasajännitettä, joka on muutettu passitetuksi syöttöjännitteeksi Uin. Keksinnön mukaisesti järjestely käsittää jännitteensäätölaitteen. Jännit-teensäätölaitteella tarkoitetaan tämän keksinnön yhteydessä laitetta, jota operoidaan esimerkiksi käsin, tai tietyn ennalta määrätyn ohjelman mukaisesti 10 automaattisesti. Toisin sanoen jännitettä säädetään toivotun valaistustason saavuttamiseksi. Tasavirtakäytön yhteydessä jännitteensäädin on tyypillisesti pulssimodulaattori, jota ei ole esitetty kuviossa.

Kuviossa 1 tasajännite on pulssitettu käyttämällä jotain tunnettua modulaatiotapaa, kuten pulssinleveysmodulaatiota (PWM). Modulaation tar-15 koituksena on keksinnön mukaisesti tuottaa valaistuksen voimakkuuteen vaikuttava tehonsäätösignaali loisteputken liitäntälaitteelle siirrettävään sähkötehoon sisällytettynä. Tasajännitteen moduloiminen suoritetaan lampun kirkkauden säätölaitteiston yhteydessä.

Pulssinleveysmodulointi suoritetaan esimerkiksi vertaamalla kol- . . 20 mioaaltoa säädettävään tasajännitteeseen ja kytkemällä kytkinkomponentilla jännite kuormalle kolmioaallon ollessa säädettävää tasajännitettä pienempi, ja vastakkaisessa tapauksessa kytkemällä jännite pois kuormalta. Asettamalla : kolmioaallon amplitudi ja säädettävän tasajännitteen vaihteluväli yhtäsuuriksi, :.’-i saadaan modulointialueeksi täysi 100 prosenttia. Mainittua tasajännitetasoa 25 säätämällä voidaan siten vaikutta kuormalle menevään pulssisuhteeseen. Ta- savirtakäyttöisiä loisteputkikäyttöjä sovelletaan esimerkiksi linja-autojen tai muiden pienijännitteisten kohteiden valaistukseen.

:\j Keksinnön mukainen järjestely käsittää lisäksi säätösuodattimen 1 • · .*·*. tehonsäätösignaalin p erottamiseksi syöttöjännitteestä. Kuvion 1 suoritusmuo-·’ 30 dossa säätösuodatin 1 on esimerkiksi alipäästösuodatin, joka suodattaa PWM-signaalin sitä vastaavaksi tasajännitetasoksi. Tämä jännitetaso voidaan skaalata sopivasti toimimaan suoraan tehonsäätösignaalina. Koska tasajän-niiteen amplitudi saattaa vaihdella, ja näin vaikuttaa muodostuvaan tasajänni-.··*. tetasoon epätoivotulla tavalla, onkin edullista kytkeä amplitudin leikkauspiiri 35 ennen säätösuodinta 1. Tällä tavoin säätösuotimelle menevä pulssijono on amplitudiltaan tasasuuruista, ja näin muodostuva alipäästösuodatettu jännite- 109446 4 taso vastaa tarkasti syöttöjännitteeseen pulsseina koodattua tavoite tasoa.

Tällä tavoin säädöstä saadaan erityisen tarkka.

Toinen toteutustapa tehonsäätösignaalin erottamiseksi säätösuo-dattimessa on laskea digitaalisesti pulssien on/off -aikoja, ja muodostaa varsi-5 nainen säätösignaali näiden aikajaksojen perusteella. Tämä on kuitenkin edellä esitettyä analogista tapaa huomattavasti kalliimpi toteuttaa.

Kuvion 1 suoritusmuodossa on esitetty, kuinka PWM-signaalista erotetaan säätösuotimella 1 säätösignaali p syöttöjännitteen siirtyessä teho-suodatusosaan 2. Tehosuodatusosa 2 koostuu yksinkertaisimmillaan diodin ja 10 kondensaattorin kytkennästä, joka muodostaa alipäästösuodattimen syötettävälle pulssimaiselle jännitteelle. Kondensaattori latautuu pulssijännitteen huippuarvoa vastaavaan jännitteeseen, ja toimii energiavarastona varsinaiselle lii-täntälaitteen tehonsyöttöosalle. Diodin tehtävänä on toimia takavirtadiodina ja näin estää PWM- signaalin häiriintyminen.

15 Kuvion 2 suoritusmuodossa syöttöjännite Uin on muodostettu kek sinnön mukaisella jännitteensäätölaitteella suoraan sinimäisestä jännitteestä.

Tällainen sinimäinen jännite on tyypillisimmin verkkojännite. Jännitteensäätö-laite on vaihtovirtakäytössä eli kuvion 2 tapauksessa normaali leikkaussäädin. Leikkaussäätimiä käytetään yleisesti himmennettäessä hehkulamppuja. Leik-. . 20 kaussäädöllä voidaan poistaa sinimäisen jännitteen puoliaaltojen alkuosista ·'·* halutun suuruinen osuus, ja sytytyskulmaa muuttamalla saadaan syöttöjännit- * ‘ teen tehollisarvoa muutettua.

: Vaihtovirtakäytössä syöttöjännitteestä Uin poistetaan samalla tapaa kuin tasajännitekäytön yhteydessä säätösuodattimella säätösignaali. Syöttö-25 jännitteeseen sisällettynä säätösuureena toimii siis sinimäisen jännitteen puo-liaaltojen sytytyshetket. Nämä hetket voidaan havaita käyrämuodosta esimer- * · · kiksi yksinkertaisen komparaattoripiirin ja laskuripiirin yhdistelmä. Komparaat- : torilla tutkikaan pulssin syttymishetki, ja tätä hetkeä verrataan esimerkiksi si- • »· ,···* nijännitteen nollakohtaan. Syttymishetki määrää tällöin ykskäsitteisesti säätö-30 suodattimelta lähetettävän säätösignaalin tason.

Kuviossa 2 esitetyn vaihtovirtakäytön tehosuodatusosa 2 poikkeaa • · · ;,,.ί tasavirtakäytön tehosuodatusosasta siinä, että vaihtovirtakäytön yhteydessä syöttöjännite Uin tasasuunnataan käyttämällä esimerkiksi tavanomaista diodi-tasasuuntaussiltaa. Tasasuuntauksen jälkeen jännite varaa kondensaattorin • · ”* 35 tasasuunnatun jännitteen huippuarvoon.

109446 5 Säätösuodattimen tarkoitus on säätösignaalin suodattamisen lisäksi lähettää ohjaussignaali p liitäntälaitteen DC/AC-muuttajalle 3. Tämä invertteri muuttaa kondensaattoriin varautunutta tasajännitettä vaihtojännitteeksi, ja sovittaa sen itse loisteputkea 4 varten sopivaksi. Elektroniset liitäntälaitteet muo-5 dostavat lampulle tyypillisesti jännitettä, jonka taajuus on välillä 20...100 kHz ja syöttävät sopivat vaihtovirrat sekä putken katodeille että itse putkelle. Virran syöttäminen tapahtuu lamppupiirissä sijaitseviin lamppuihin kuvioissa 1 ja 2 induktiivisen kytkennän kautta käyttämällä muuntajakytkentää 5.

Säätösuodattimen 1 lähettämä säätösignaali p on yksinkertaisim-10 millään jännitetaso, joka voi vaihdella esimerkiksi yhdestä kymmeneen volttiin.

Tämä jännitetaso tulkitaan sitten liitäntälaitteessa sinänsä tunnetulla tavalla, ja hakkurityyppinen DC/AC-muuttaja muuttaa modulointiaan signaaliin perustuen siten, että se tuottaa lamppupiiriin tarkoituksen mukaiset jännitteet sekä katodeille että putkelle, ja näin säätää putkesta saatavaa valotehoa. Tällainen jän-15 nitesignaaliin reagoiva toteutus on sinänsä tunnettu ratkaisuista, joissa liitän-tälaitteelle tuodaan erillinen säätösignaali erillistä säätöjohdinta myöten.

Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti tehosuoda-tusosa käsittää hakkuripiirin tehokertoimen korjaamiseksi. Tällaista hakkuripii-riä käytetään yleisesti vaihtojännitekäyttöisten laitteiden tehokertoimen kor-. . 20 jäämiseksi, ja sitä voidaan soveltaa sekä kuvion 1, että kuvio 2 suoritusmuo-·’·[ don yhteydessä.

* ' On huomattava, että vaikka kuvioissa ja selityksessä järjestely on : esitetty erillisinä toimilohkoina, niin kaikki toteutukseen tarvittavat piirit lukuun- ottamatta jännitteensäätölaitetta sijaitsevat loisteputken yhteydessä ja sen lii-25 täntälaitteeseen yhdistettyinä.

Kun säätöpiirin toiminta toteutetaan siten, että alhainen pulssinleve-ys antaa vastaavasti alhaisen valotason, jolloin myös energiankulutus on myös : alhainen, päästää vastaavasti riittävän hyvään suodatukseen pienemmällä .···’ suodatinyksiköllä tehonsyöttöyksikössä. Näin järjestettynä voidaan saavuttaa 30 himmennysohjaus ja tehonsyöttö jopa 5...100% tehoalueella, kun pulssinle-veyden säätöalue on vastaavasti 5...100%. Käytännössä tämä merkitsee sitä, että pulssinleveyden alentuessa on suodatuspiirin suodatuskykyä lisättävä samassa suhteessa. Näin onkin järkevämpää käyttää suppeampaa pulssinle-veyden vaihtelualuetta, jolloin päästään pienempään ja edullisempaan teho-35 suodatusosaan. Käytännössä pulssinleveyden vaihtelualueella 50...100% edellämainittu järjestely toimii hyvin, koska samalla kun pulssinleveys on pieni, 109446 6 on energiankulutuskin pieni. Kuitenkin säätöosa laskureineen voidaan virittää siten, että koko säätöalue on käytössä. Tällöin esimerkiksi 50% pulssinleveys vastaa 5% valotasoa ja vastaavasti 100% pulssinleveys vastaa 100% valotasoa. Siirtyminen näiden ääripäiden välillä voidaan luonnollisesti toteuttaa line-5 aarisesti. Pulssinleveyden rajoittaminen minimissään 50%:iin tarkoittaa siis sitä, että jännitteensäätölaite tuottaa pulsseja, joiden vaihteluväli on 50...100%.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaih-10 della patenttivaatimusten puitteissa.

« · • · • · • · • · · • · · • # ♦ φ » »« ♦ • * ► ·» * *

Claims (7)

109446 Patentti vaati m u kset

1. Järjestely purkauslampun yhteydessä, joka järjestely käsittää elektronisen liitäntälaitteen purkauslampun (4) sytyttämiseksi sekä polttami- 5 seksi ja jännitteensäätölaitteen, joka on sovitettu muokkaamaan liitäntälaitteen syöttöjännitettä ja sisällyttämään syöttöjännitteeseen tehonsäätösignaalin, tunnettu siitä, että jännitteensäätölaite on sovitettu muokkaamaan liitäntälaitteen perustaajuista syöttöjännitteen pulssimuotoa tehonsäätöinformaation sisällyttämiseksi syöttöjännitteeseen, jolloin järjestely käsittää lisäksi telo hosuodattimen (2) ja säätösuodattimen (1) tehonsäätösignaalin (p) erottamiseksi syöttöjännitteestä (Uin), liitäntälaitteen ollessa vasteellinen tehonsää-tösignaalille (p) loisteputken (4) valotason säätämiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että jännitteensäätölaite on sovitettu muokkaamaan syöttöjännitettä siten, että 15 syöttöjännitteestä (Uin) muodostuu pulssitettua jännitettä, ja että säätösuodatin (1) on sovitettu muodostamaan tehonsäätösignaali pulssitetun syöttöjännitteen on/off-pulssisuhteesta.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että jännitteensäätölaite sijaitsee purkauslampun (4) liitäntälaitetta syöttä- • · 20 väliä johdolla.

·:··: 4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen järjestely, tunnettu ! siitä, että jännitteensäätölaite on leikkaussäädin, joka on sovitettu leikkaamaan • · · syötettävästä jännitteestä jännitteen puoliaaltojen osia.

• · .··. 5. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen järjestely, tunnettu .·'··. 25 siitä, että jännitteensäätölaite on pulssimodulaattori, joka on sovitettu muodostamaan pulssitettua signaalia.

. , 6. Patenttivaatimuksen 1 - 3 tai 5 mukainen järjestely, tunnettu « « ♦ siitä, että järjestely käsittää lisäksi amplitudinleikkauspiirin, joka on sovitettu ·;·' leikkaamaan säätösuotimelle tulevan signaalin amplitudin ennalta määrättyyn : 30 arvoon.

7. Patenttivaatimuksen 1, 2, 3, 5 tai 6 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että tehosuodatusosa (2) käsittää hakkuripiirin tehokertoimen korjaamiseksi. » *