"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* ) % |
5. Harmonische |
10% |
7. Harmonische |
7% |
9. Harmonische |
5% |
11. Harmonische |
3% |
13. Harmonische |
3% |
15.-39. Harmonische |
3% |
Tabelle 3.1: Grenzwerte für den prozentualen Anteil der Oberschwingung
(IEC 1000-3-2)
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.
Bild 3.1: Zeigerbild Kompensation der Blindleistung
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

die benötigte Induktivität. Damit kann die Größe der Spule
drastisch verringert werden.
Der grundsätzliche Aufbau von elektronischen Lampenvorschaltgeräten
ist in Bild 3.2 dargestellt.
Bild 3.2: Grundsätzlicher Aufbau von elektronischen Lampenvorschaltgeräten
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.
Bild 3.3: 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.
Bild 3.4: 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.
Bild 3.5: 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.
Bild 3.6: 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.
Bild 3.7: 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).