Hochdrucklampen (HDL) finden im heutigen Alltag eine sehr breite Anwendung. Aber ihre veralteten Vorschaltgeräte (conventional magnetic ballast, CMB), ausgestattet mit einem schweren Drosselreaktor, verursachen ziemlich hohe Energieverluste, einen niedrigen Energie-Effizienz-Index (EEI) und bei Netzfrequenzen von 50…60 Hz eine geringe Lichtausbeute. Inzwischen sind auch elektronische Vorschaltgeräte (electronic ballast equipment, EBE, EMC) im Umlauf, die zuerst durch ihr Eigengewicht und ihre Außenmaße hervortreten. Ihre Hochfrequenzquellen sind aber für den Einsatz bei HDL ungeeignet, da die Lampen beim „Kurzschluss“-Zustand starten und erst nach einigen Minuten ihre nichtlineare Arbeitsimpedanz erreichen. Eine Masseneinführung solcher EBE wird auch dadurch verhindert, dass die HD-Lampen zu zerstörerischen Resonanzen neigen und somit ihre Stromversorgung im kHz-Bereich unmöglich wird.
Zur Überwindung dieser Nachteile wurde ein origineller Wechselrichter (WR) der Klasse E entwickelt. Seine innovative, einfache Schaltung weist eine zuverlässige Konstruktion auf und lässt keine zerstörerische Resonanzen zu. Damit wird die breite Anwendung dieses WR als ein prinzipiell neues elektronisches Vorschaltgerät (NEBE) für Natrium-Hochdrucklampen (Na-HDL) möglich.

Bild 1: Basisschaltung des Wechselrichters WR.

Bild 1: Basisschaltung des Wechselrichters WR.Alle Bilder: Hinow/Platikanov

Die Basisschaltung des WR (Bild 1) enthält den Reaktor L und den Widerstand R, die zusammen mit dem Kondensator C und der Energiequelle E eine Reihenschaltung bilden. Der Timer T steuert den Umschalttransistor K, dessen Kollektorstrom den Kondensator C kurzschließt. Im Zeitintervall toff hält der Timer den Transistor ausgeschaltet, im Zeitintervall ton schaltet er den Transistor wieder ein. Die Summe beider Zeitintervalle T = toff + ton ergibt die Periode der vom WR generierten Frequenz (Bild 2).

Bild 2: Strom- und Spannungsverlauf der Wechselrichter-Schaltung.

Bild 2: Strom- und Spannungsverlauf der Wechselrichter-Schaltung.

Der Transistor K bringt die Kondensator-Spannung auf „Null“, d.h. im Zeitintervall ton ist der Kondensator C nicht aktiv. Die periodische Zustandsänderung der Schaltung ordnet den WR zur Gruppe der „Systeme mit veränderlichen Strukturen“ ein. Damit wird der entwickelte WR der Klasse E – bekannt auch als ZVS (Zero-Voltage-Switching) – zu einem zukunftsorientierten Block klassifiziert, dessen Einsatz die Lösung vieler Probleme der Stromversorgung ermöglicht. Hier sind als Vorteile insbesondere die Null-Kommutierungsverluste des WR und sein hoher Wirkungsgrad (Power factor) von 98 % hervorzuheben.
Strom- und Spannungsverlauf der WR-Schaltung Beim ausgeschalteten Transistor K entwickeln sich die Strom- und Spannungsverläufe nach den Differenzialgleichungen:

19773.jpg

Daraus ergeben sich die Kondensatorspannung und der Reaktorstrom:

19774.jpg

Das Oszillogramm stellt die Faktoren I und U als Segmente der abfallenden Sinuskurve im längeren Zeitintervall toff dar. Die Aktivierung des Transistors K im folgenden Zeitintervall ton bringt die Spannung auf Null, dargestellt als kleiner horizontaler Abschnitt (Bild 2). Damit wird die Basisschaltung zu einer einfachen LR-Kette zurückgeführt; im kürzeren Zeitintervall ton erscheint der exponentiale Strom als anwachsende Linie.

Energie- und Leistungsverlauf des WR

Die Zusammenwirkung der Spannung U als Abszisse und der Strom I als Ordinate ergibt den dynamisch-periodischen Zyklus des WS (Bild 3a).

Bild 3a: Dynamisches Oszillogramm des Wechselrichters

Bild 3a: Dynamisches Oszillogramm des Wechselrichters

Die graphische Entwicklung des Zyklus kann auch als Vektor dargestellt werden, der ähnlich eines Uhrzeigers, sich mit der klassischen Winkelgeschwindigkeit ? =1/?CL dreht (Bild 3b). Das abfallende Vektormodul bestimmt die angehäufte bzw. kumulierte Energiemenge des WR.
Der Vektor des Transistorstroms is bestimmt die Reaktorenergie AL = 0,5 Lis (Bild 3b).

Bild 3b: Vektorzyklus des Wechselrichters

Bild 3b: Vektorzyklus des Wechselrichters

Diese ist auch der „Gewinn“ der energetischen Umwandlung, durch den die direkte Definition und Berechnung der vom WR erzeugten Energie folgt:

A = mA(is2 – id2)

Die Aktivität des WR A wird als Subtrahend der Quadratzahlen des Transistorstroms is und des Diodenstroms id bestimmt (Bild 3b). Der Energiemaßstab mA = 0,5 CE2 ergibt sich durch die Kondensatorenergie und die Quellenspannung. Die energetische Definition wird damit zu einer alternativen Möglichkeit zur klassischen harmonischen Approximationsmethode. Nur durch eine einfache Multiplikation mit der Frequenz (f = 1/?) wird die WR-Leistung genau ermittelt:

P = f (A)

Die WR-Leistung wird ganz einfach durch den Timer T gesteuert. Durch ihn wird wahlweise die Zeitintervallsgröße ton vorgegeben, von der wiederum der Strom is, die Reaktorenergie A und die Zyklusgröße des WR abhängig sind.

Grundparameter des NEBE und des Drossel-Vorschaltgeräts

Die Grundparameter des NEBE mit einer Na-HDL 50 W bei Lampenfrequenz 30 kHz sind in der Tabelle 1 dargestellt. Neben den elektrischen Messwerten wurde insbesondere die Beleuchtungsstärke untersucht, die in der Zweimeter-Sphäre mit Lampe als Mittelpunkt gemessen wurde. Berechnet wurde auch die relative Beleuchtungsstärke [Lx/W] bei den drei typischen Netzspannungswerten.
Zum Vergleich wurden nochmals die Laboruntersuchungen der Tabelle 1 wiederholt, aber diesmal mit einem Vorschaltgerät der konventionellen Drossel-Technologie. Diese Messwerte sind in der Tabelle 2 zusammengefasst.

Tabelle 1: Na-HDL 50 W mit NEBE.

Tabelle 1: Na-HDL 50 W mit NEBE.

Tabelle 2: Na-HDL 50 W mit Drosselvorschaltgerät.

Tabelle 2: Na-HDL 50 W mit Drosselvorschaltgerät.

Vergleich zwischen NEBE und einem Drosselvorschaltgerät

Hervorzuheben sind die Messwerte der eigenen Verluste (Tabelle 1, Spalte 6) von nur 6,76 W (Ballast-Verluste). Sie sind deutlich geringer als die entsprechenden Messwerte beim Drosselvorschaltgerät (Tabelle 2). Beim praktischen Einsatz des neuen NEBE erreicht man einen deutlich niedrigeren Energieverbrauch bei einer einfachen Konstruktion und Kühlung des Blocks und damit einer höheren Zuverlässigkeit der gesamten Leuchte.

Bild 4: Wechselrichter-Block mit Standard-Laborkarte.

Bild 4: Wechselrichter-Block mit Standard-Laborkarte. Alle Bilder: Hinow/Platikanov

Die Ausgangspannung zur Lampe (Tabelle 1, Spalte 4) ist ein wichtiges Kriterium für ihre Ionisationsprozesse, Lichtausbeute und Nutzungsdauer. Der Effektivwert der HF-Lampenspannung von 65,4 V beträgt nur 70 % des Vergleichswertes 93,1 V, (Tabelle 2, Spalte 4). Das führt wiederum zur erhöhten Nutzungsdauer der Lampe.
Die größere Amplitude (Bild 5) zeigt den Verlauf der HF-Spannung und den synchron mitlaufenden Strom am Ausgang zur Lampe beim NEBE.

Bild 5: HF-Spannungs- und Stromverlauf am Ausgang der Na-Lampe.

Bild 5: HF-Spannungs- und Stromverlauf am Ausgang der Na-Lampe.Alle Bilder: Hinow/Platikanov

Hervorzuheben hier ist die verbesserte Sinusform der HF-Spannung. Sie unterscheidet sich deutlich von der üblichen Trapezform der Lampen-Ausgangsspannung, die im niedrigeren Frequenzbereich auftritt (50 Hz) (Tabelle 2). Die Sinusform der HF-Spannung beim NEBE verbessert die Nutzungsdauer der Lampe.
Das neue NEBE weist vielfach höheren partiellen Strom- und Spannungs-Ableitungswerte bei 30 kHz auf (Tabelle 1, Spalte 4), die, ähnlich wie in der Lasertechnik, zu einer höheren Lichtausbeute und damit zu einem deutlich besseren Energie-Effizienz-Index (EEI) des Vorschaltgeräts beitragen. Im durchgeführten Vergleich wurde auch die relative Beleuchtungsstärke von 13,71 [Lx/W] ermittelt (Tabelle 1, Spalte 8). Sie ist um ca. 25 % höher als beim klassischen Drosselvorschaltgerät (Tabelle 2).