"Pumpschaltungen für EVG von Niederdruckgasentladungslampen"

3. Lampenvorschaltgeräte

Wie im vorangegangenen Absatz beschrieben, hat die U-I-Kennlinie der Gasentladungslampe eine negative Charakteristik. Daher muß das Vorschaltgerät den Strom so begrenzen können, daß sich ein stabiler Arbeitspunkt einstellt. Andererseits muß der Strom, den das Vorschaltgerät aus dem Netz entnimmt, den gültigen Normen entsprechen. Grundlage hierfür ist die IEC 1000-3-2. Lampenvorschaltgeräte sind Betriebsgeräte der Klasse C, für die die in Tabelle 3.1 dargestellten Grenzwerte für Oberschwingungen festgelegt sind. Dabei müssen Oberschwingungsanteile mit einer Amplitude unter 5 mA nicht berücksichtigt werden.
 
Oberschwingung  max. Anteil bezogen auf die Grundschwingung 
2. Harmonische 2% 
3. Harmonische (30* lambda) %
5. Harmonische 10% 
7. Harmonische  7% 
9. Harmonische 5% 
11. Harmonische 3% 
13. Harmonische  3% 
15.-39. Harmonische 3% 
  Weiterhin soll der Leistungsfaktor lambda im Netz nahe 1 sein. Für den Lampenstrom wird ein niedriger Crestfaktor angestrebt. Die Definition des Crestfaktors lautet

        Crestfaktor = |maximale Amplitude| / Effektivwert

Für den Crestfaktor des Lampenstroms wird ein Wert von unter 2 als sehr gut angesehen.
Außerdem müssen Lampenvorschaltgeräte in der Lage sein, die Lampe sicher zu zünden und anlaufen zu lassen. Dieser Aspekt soll aber hier nicht weiter betrachtet werden. Weiterhin darf sich der Gesamtwirkungsgrad der Kombination Lampe-Lampenvorschaltgerät nicht zu sehr verschlechtern. Im Gegensatz zu konventionellen Vorschaltgeräten, die bis zu 20% Anteil am Gesamtwirkungsgrad haben können, liegt dieser bei EVG bei bis zu 5%.
Diesen Anforderungen müssen alle Vorschaltgeräte, ob als integriert oder separat ausgeführt, genügen. Separate Vorschaltgeräte haben außerdem noch Überwachungsfunktionen zu erfüllen, wie die Erkennung einer fehlenden oder defekten Lampe.
 

3.1. Konventionelle Lampenvorschaltgeräte
Da im allgemeinen Gasentladungslampen mit Wechselspannung betrieben werden, bietet sich als strombegrenzendes Bauelement eine Drosselspule an. Diese bezeichnet man als konventionelles Vorschaltgerät. Drosselspulen haben viele Nachteile. Sie sind sehr groß und schwer, und sie verbrauchen bis zu 20% der Gesamtleistung der Kombination Lampe-Lampenvorschaltgerät. Der Leistungsfaktor wird stark beeinträchtigt und muß durch Kompensationsmaßnahmen verbessert werden.
 Zeigerbild
3.2. Elektronische Lampenvorschaltgeräte

Die Nachteile des konventionellen Vorschaltgerätes haben zur Entwicklung von elektronischen Vorschaltgeräten geführt. Zur Strombegrenzung dient weiterhin eine Drosselspule. Die Arbeitsfrequenz wurde aber von der Netzfrequenz von 50Hz auf mehrere 10kHz erhöht. Bei gleichem Scheinwiderstand Z zur Strombegrenzung verringert sich nach

L = Z/2*pi*f

die benötigte Induktivität. Damit kann die Größe der Spule drastisch verringert werden.
Der grundsätzliche Aufbau von elektronischen Lampenvorschaltgeräten ist in Bild 3.2 dargestellt.
 

Struktur
  Ein elektronisches Lampenvorschaltgerät besteht aus dem Gleichrichter- und dem Wechselrichterteil. Der Wechselrichter wird als Halbbrückenschaltung ausgeführt. Oft wird die Halbbrückenschaltung selbsterregt. Dies bedeutet, daß die leistungselektronischen Schalter mittels eines Dreiwicklungskerns angesteuert werden. Der Kern ist mit einer Wicklung in den Zweig der Begrenzungsdrossel eingebaut. Mit den beiden anderen Wicklungen werden die Transistoren abwechselnd angesteuert. Der Ferritkern ist so ausgelegt, daß er bei bestimmten Spulenstromstärke in die Sättigungsstromstärke erreicht wird. So wird die Dauer der Einschaltimpulse begrenzt. Damit kann die Halbbrücke einfach und kostengünstig ohne zusätzliche Elektronik angesteuert werden.
So können nur Bipolartransistoren angesteuert werden. Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOSFET) als Schalter in elektronischen Lampenvorschaltgeräten benötigen zur Ansteuerung eine Ansteuerelektronik. Der Dreiwicklungskern kann zur Ansteuerung von MOSFET nicht genutzt werden.
 Selbsterregte Halbbrückenschaltung
Durch das hochfrequente Schalten der Halbbrücke entsteht am Netzeingang des elektronischen Vorschaltgerätes kein sinusförmiger Netzstrom. Es kann nur dann ein Strom in die Schaltung fließen, wenn die Bedingung UN>UC erfüllt ist. Zur Verbesserung des Netzstromes kommen verschiedene Schaltungsvarianten zum Einsatz. Die Auswahl richtet sich nach ökonomischen und technischen Gesichtspunkten die entsprechende Maßnahme ergriffen werden muß. Die einfachste Variante ist der Einsatz eines Passivfilters zur Verbesserung des Netzstromes.
 EVG mit Passivfilter
  Diese Schaltungsvariante erfordert relativ große Drosseln zur Filterung.  Daher wird ein Passivfilter nur in Verbindung mit anderen technischen Lösungen eingesetzt.
Weiterhin hat die Verwendung eines Hochsetzstellers Anwendung in elektronischen Vorschaltgeräten gefunden. Damit lassen sich gute Ergebnisse erzielen. Nachteilig wirkt sich der höhere Bauelementeaufwand, die zusätzliche Spule und der zusätzliche Schalter, aus. Deshalb gibt es verschiedene Konzepte, den Transistor des Hochsetzstellers in die Halbbrücke zu integrieren.
 EVG mit Hochsetzsteller
  Weiterhin gibt es Schaltungstopologien mit Tiefsetzsteller, mit Hoch-Tiefsetzsteller oder mit Seriell-Parallel-Schaltung. In Anlage A1 sind die verschiedenen Konzepte dargestellt.
 
3.3. Pumpschaltungen
Pumpschaltungen (Charge Pump Electronic Ballast) werden auch Schaltungen mit Energierückführung genannt. Ein Vorteil von Pumpschaltungen ist, daß kein zusätzliches schaltendes Bauelement eingesetzt wird. Ein oder mehrere Potentialpunkte des EVG (im allgemeinen der Mittelpunkt der Halbbrückenschaltung) werden mit Kondensatoren vor den Zwischenkreiskondensator verbunden. Damit ist ein Energierücktransport in den Gleichspannungszwischenkreis möglich. Die Kondensatoren gleichen den Potentialunterschied aus, wenn die Netzspannung unter die Spannung des Zwischenkreiskondensators sinkt. Es erfolgt eine Entnahme eines im Idealfall sinusförmigen und zur Netzspannung nicht phasenverschobenen Stromes aus dem Netz.
 
 Prinzipieller Aufbau von Pumpschaltungen
  Für die Anzahl und Anbindung der Kondensatoren gibt es die vielfältigsten Möglichkeiten.
In Anlage A2 und A3 sind verschiedene Varianten, wie sie in der Literatur angegeben werden, zusammengestellt [11] , [12], [13], [14], [15], [19], [20].
 
3.4. Schaltungstopologie
Als Grundlage für die Untersuchungen dient die Schaltung nach dem Europapatent EP 0 253 224 B1.
Diese ist in Bild 3.7 dargestellt. Die Kondensatoren C7, C8 und C9 für die Energierückführung sind dick gezeichnet.
 
 Schaltung nach Europapatent EP 0 253 224 B1

 

Diese Schaltung vereint grundsätzliche Merkmale von Pumpschaltungen. Es sind mehrere Potentialpunkte der Schaltung mittels Pumpkondensatoren verbunden. So bilden die Kondensatoren C7 und C8 einen Freilaufkreis für den Spulenstrom. Der Knoten M4, an den beide Kondensatoren zusammengeschalten sind, wird über die Diode D9 mit dem Zwischenkreiskondensator C4  verbunden. Der Kondensator C9 verbindet den Knoten M1 über die Diode D11 mit dem Zwischenkreiskondensator C4.
Diese Schaltungstopologie wird, mit Abwandlungen, in industriell gefertigten Vorschaltgeräten eingesetzt. Somit bietet sie eine gute Grundlage für grundsätzliche Untersuchungen.
 
3.5.  Wirkungsweise der Schaltung
Man kann die Wirkungsweise der Schaltung in vier verschiedene Grundzyklen einteilen:
- Phase I:     Transistor T1 ist angeschaltet
- Phase II:    Transistor T1 ist ausgeschaltet
- Phase III:   Transistor T2 ist angeschaltet
- Phase IV:   Transistor T2 ist ausgeschaltet.
Der Verlauf der Ströme und Spannungen ist im starken Maße vom Augenblickswert der Netzspannung abhängig. In Anlage C19 bis C22 sind die Strompfade in den verschiedenen Phasen dargestellt.
 

Phase I
Der Transistor T1 ist an. Damit ist die Spannungsdifferenz am Kondensator C9 und am Knoten M1 zum Knoten ++ null. Die Spannung über dem Kondensator C7 ist demgegenüber negativ. Es gibt mehrere Strompfade. Der Hauptstrompfad ist L1-C5-Lampe-T1-L1. Die Nebenzweige sind abhängig von der Spannung UC7; wenn UC7 kleiner 0 ist, ist der Strompfad L1-C8-C7-L1. Wird die Spannung UC7 null, d.h. die Spannungsdifferenz zwischen M1 und M4, so ergibt sich der Strompfad L1-C8-D9-T1-L1 (Anlage C19).

Phase II
Der Transistor T1 wird ausgeschaltet. Damit steht der Hauptstrompfad nicht mehr zur Verfügung. Der Spulenstrom läuft sich über die Kondensatoren C7 und C8 frei (L1-C7-C8-L1). Damit sinkt die Spannung am Knoten M1 und auch die Spannung am Knoten M2.
Wenn die Spannung am Knoten M2 ungefähr gleich der Netzspannung ist, erfolgt die Aufladung von C9 über den Pfad L1-C5-Lampe-C4-Netz-C9-L1. Auch wenn die Spannung am Knoten M4 gleich UNetz ist, erfolgt eine Aufladung über den Pfad L1-C5-Lampe- C4-Netz-C9-L1.
Durch Aufladung von C9 sinkt die Spannung UM1. Wenn die Spannung UM1 ungefähr gleich der Netzspannung UNetz ist, übernimmt die Diode D7 Strom über den Pfad L1-C5-Lampe-C4-D7-L1. Weiterhin fließt ein Strom im „Freilaufkreis” L1-C8-C7-L1.
Der Spulenstrom iL1 ist größer als der Strom i C5 und eilt diesem voraus. Damit wird der Kondensator C7 ist gegenüber dem Netz überladen. Wenn der Spulenstrom iL1 kleiner wird als der Strom iC5 entlädt sich die Kapazität C7 über die Pfade C4-D7-L1-C5-Lampe-C4 bzw. C4-D7-C7-C8-Lampe-C4 (Anlage C20).

Phase III
Der Transistor T2 wird angeschaltet. Damit übernimmt T2 den Spulenstrom.
Der Laststrom aus dem Kondensator C4 fließt im Kreis C4-Lampe-C5-L1-T2-C4. Es gibt einen Nebenzweig. Dieser ist abhängig von der Spannung U C7: Wenn UC7 größer als 0 ist, schließt sich der Nebenzweig über L1-C8-C7-L1; wenn UC7 ungefähr 0 ist, ist der Nebenzweig Netz-C8-L1-T2-Netz (Anlage C21).
 

Phase IV
Der Transistor T2 wird ausgeschaltet. Der Strom läuft sich über den Zweig L1-C7-C8-L1 frei. Damit steigt die Spannung UM1 am Knoten M1 wie auch die Spannung am Knoten M2. Wenn die Spannung am Knoten M2 gleich der Spannung UC4 des Zwischenkreiskondensators ist, erfolgt die Entladung von C9 über Zweig L1-C9-D11-Lampe-C5-L1.
Wenn die Spannung UM1 am Knoten M1 gleich der Spannung über dem Kondensator UC4 ist, ist C9 entladen. Dann übernimmt die Diode D6 den Strom über den Kreis L1-D6-Lampe-C5-L1. Der Nebenkreis schließt sich über L1-C7-C8-L1. Wenn der Strom iL1 durch die Spule L1 kleiner als der Strom iC5 in den Kondensator C5 ist, fließt der Strom über Lampe-C5-L1-D6-Lampe (Anlage C22).
 
 
 


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