21 - Die Steckdose

21. Bevor ich mit der Beschreibung der Schaltung beginne, zunächst ein kurzer Besuch in der
Physik, genauer eine kurze Beschreibung von Gasentladungen, wie sie z.B. in
Leuchtstofflampen vorkommen. Eine Gasentladungsstrecke besteht -vereinfacht- aus einem
abgeschlossenem Gasvolumen zwischen 2 Elektroden. Wird an diese Elektroden eine geringe
Spannung angelegt, passiert zunächst nichts besonderes. Die vereinzelten Ionen und freien
Elektronen, die immer vorhanden sind, bewegen sich zu den jeweils entgegengesetzt
geladenen Elektroden, und ergeben einen geringen Reststrom im Bereich von nA
(NanoAmpere). Wird die Spannung erhöht, werden die Ladungsträger immer stärker
beschleunigt, bis schließlich beim Zusammenprall mit neutralen Atomen diese in weitere
Ionen und Elektronen gespalten werden. Auch bein Aufprall von positiven Ionen auf die
Kathode werden Elektronen aus dem Metall freigesetzt. In diesem Zustand steigt der Strom in
die Größenordnung von mA an, während die Spannung bis unter 100V absinken kann. Es
brennt eine Glimmentladung, wie sie z.B. in den altbekannten Neonlampen als rötlich-oranges
Licht zu sehen ist. Wird nun die Leistung erhöht, so bleibt die Spannung ungefähr gleich,
während der Strom ansteigt. Erhitzt sich die Kathode z.B. durch den fließenden Strom soweit,
daß sie thermisch Elektronen emmitieren kann, so bricht die Spannung zusammen, und fällt
bis auf einzelne Volt. Der Strom kann in diesem Zustand fast unbegrenzt ansteigen, falls er
nicht extern begrenzt wird. Es brennt eine Bogenentladung.
Während bei Glimmlampen, (echten) Neonröhren, Natriumdampflampen, Xenonlampen, und
Hochdruck-Quecksilberlampen direkt das Licht der Gasentladung genutzt wird, erzeugen
Leuchtstofflampen zunächst mit Quecksilberdampf niedrigen Druckes kurzwellige UVStrahlung, die von einem Leuchtstoff auf der Innenseite des Glasbehälters in sichtbares,
meistens weißes Licht umgewandelt wird.
"Normale" Leuchtstofflampen arbeiten üblicherweise mit einer stromschwachen
Bogenentladung von 100mA bis 1.5A bei 20 bis 120V Brennspannung, die neuen CCFLRöhren dagegen benutzen eine Glimmentladung mit 2mA bis 10mA und 100V bis 1KV
Brennspannung.
Aus dieser (stark vereinfachten) Beschreibung sind die Forderungen an eine gute
Stromversorgung für Leuchtstofflampen unschwer abzuleiten.
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Bereitstellung einer hinreichenden Zündspannung
hoher Innenwiderstand um einen annähernd konstanten Strom zu erzielen
evtl. eine Vorheizung von dafür ausgelegten Elektroden, um die Zündung zu
erleichtern.
hohe Arbeitsfrequenz (>1Khz), damit der Lichtbogen nicht nach jedem
Stromnulldurchgang neu gezündet werden muß
Hierzu eignet sich bei niedrigen Betriebsspannungen ein stromgespeister ParalellGegentaktoszilator recht gut:
Zur Funktion:
Vernachlässigen wir zunächst einmal alle sekundären Kreise, so erhalten wir mit L1ab und Cp
einen Paralellschwingkreis. Damit in diesem Kreis eine dauernde Schwingung aufrecht
erhalten (und Leistung entnommen) werden kann, muß natürlich ständig neue Energie
nachgeliefert werden. Zu diesem Zweck wird über die Wicklung L2 eine Spannung
entnommen, welche die beiden Transistoren ansteuert. Da deren Basis/Emmiterstrecke einen
sehr niedrigen Eingangswiderstand darstellt, reicht eine Steuerspannung von <1V völlig aus,
um den Basisstrom vollständig umzusteuern. So wie nun beide Transistoren abwechselnd
angesteuert werden, so schalten diese auch ihren Kollektorstrom abwechselnd auf L1a und
L1b. Sind die Wicklungen richtig gepolt, so ist die Schaltung stark mitgekoppelt, und
schwingt kräftig, stabil und verlustarm. Ein sehr wichtiges Detail an dieser Stelle ist die
Drosselspule im gemeinsamen Kollektorkreis, welche dafür sorgt, daß ein annähernd
konstanter Strom eingespeist wird, obwohl die Gegenspannung vom Oszilator die
charakteristische Form einer vollwellengleichgerichteten Sinusspannung hat.
In diesem Zustand schwingt der Oszilator zunächst einmal mit einer recht hohen Frequenz.
Zündet die angeschlossene Lampe, so bricht ihr Innenwiderstand von fast unendlich auf
verhältnismäßig kleine Werte zusammen, sekundärseitig an L3 ist nun der Kondensator Cs
voll wirksam, und die Frequenz fällt auf den normalen Arbeitswert. Gleichzeitig stellt dieser
Kondensator einen kapazitiven Vorwiderstand für den Lichtbogen dar, der dadurch sehr stabil
brennen kann. Die Lampe leuchtet nun, und unser Ziel ist erreicht.
Die gleiche Schaltung kann nun aber auch mit MOSFETs aufgebaut werden, und sieht dann
so aus:
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Die MOSFET-Variante hat den Vorteil, daß der Basiskreis entfällt, was eine Vereinfachung
des Wandlertrafos bedeutet und die Verluste im Basisvorwiderstand fehlen natürlich auch.
Dafür ist das Umschaltverhalten schlechter, da im Umschaltmoment eine hohe Restspannung
an den Gates benötigt wird um den Betriebsstrom weiterfliesen zu lassen. Zusammengefaßt
eignet sich die Bipolarvariante vor allem für kleine Leistungen bei Spannung von sagen wir
mal 6 bis 15V. Die MOSFET-Variante geht ab 12V aufwärts akzeptabel, und ist bei
Verwendung von HV-FETs bis mindestens 50V verwendbar. Die Verwendung von
Logikpegel-MOSFETs sollte den Wirkungsgrad verbessern, aber auch schon mit normalen
IRF530 geht alles bestens. Bei einer 11W-Lampe bleiben die Transistoren lauwarm, und 20W
gehen immer noch bestens ohne Kühlkörper. Lediglich die Gateansteuerung muß den
jeweiligen Transistoren angepaßt werden, um dasSchaltverhalten zu optimieren. Ich gehe in
der Regel von 1 Kiloohm-Widerständen aus, und optimiere dann die Paralellkondensatoren
dahin, daß die Schaltung den geringsten Leerlaufstrom aufnimmt (typischerweise ist rund 1nF
nötig).
Zündung der Lampe
Bevor die Lampe irgendwie betrieben werden kann, muß zunächst einmal die Gasentladung
gezündet werden. Am einfachsten ist es wenn -wie bei den CCFL-Lampen- eine so hohe
Spannung angelegt wird, daß ein direkter Überschlag in der Gasfüllung stattfindet. Die Lampe
leuchtet dann sofort auf. Nachteilig ist bei "normalen" Leuchtstofflampen der starke
Verschleiß derElektroden, da diese nicht für einen solchen Betrieb ausgelegt sind. Immerhin
müssen in den ersten paar hundert Millisekunden die Elektronen regelrecht mit Gewalt
(Spannungen von vielen hundert Volt) aus den noch kalten Elektroden herausgerissen werden,
bis diese durch den Lichtbogen ihre Normaltemperatur erreicht haben. Ein solcher Start ist
eigentlich nur für billige Kleinstlampen (4W bis 8W in Stabform) vertretbar, die nur selten
benutzt werden.
Die klassische Lösung des Problems ist der Glimmstarter, welcher vorübergehend die Lampe
kurzschließt. Der dann fliesende Strom heizt die Elektroden vor, und wenn der Glimmstarter
öffnet liegt die Lampe an Spannung und sollte Zünden (was in der Regel aber erst nach
mehreren Versuchen gelingt). glimmstarter arbeiten mit HF-Wandlern akzeptabel zusammen,
aber der Entstörkondensator paralell zum Starter muß entfernt werden, da er den gesamten
Betrieb verhindert. Diese Lösung empfiehlt sich vor allem für Kompaktlampen mit im Sockel
integriertem Starter.
Eine weitere (und von mir neuerdings bevorzugte) Methode ist es den Glimmstarter durch ein
Relais zu ersetzen, welches die Lampe einmal für 1 Sekunde überbrückt um die Elektroden
vorzuheizen. Entweder startet die Lampe danach augenblicklich, oder sie ist mit Ihrer
Lebensdauer am Ende ünd müßte sowieso gewechselt werden. Dies erfordert zwar ein Relais
und einen kleinen Schalttransistor zusätzlich, ist aber die vermutlich beste Lösung um eine
größere Leuchtstofflampe sanft und sicher zu starten und mit bestem Wirkungsgrad und
höchster Lebensdauer zu betreiben.
Dann bleibt noch die amerikanische "Rapid Start" - Schaltung übrig, welche die Lampe
dauernd an Betriebsspannung legt, und die Elektroden aus zusätzlichen Wicklungen vorheizt
(wie beim Wandler mit Bipolartransistoren eingezeichnet). Sobald die Elektroden heiß genug
sind zündet der Lichtbogen von selbst. Dies ist eine sowohl schaltungstechnisch einfache
Lösung, als auch eine schonendere Startmethode als die Erstgenannte. Leider hat die dauernde
Fremdheizung der Glühwendel den Nachteil, daß permanent Energie verschwendet wird.
Gerade bei einem hocheffizientem System mit Leuchtstofflampen, ist dies unscön, und kann
die Betriebszeit einer Akkulampe merklich verkürzen.
Dimensionierung der Schaltung:
Zunächst sammeln wir einmal die vorhandenen Daten, und legen die Arbeitsbedingungen
fest:
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Lampe ( Betriebsdaten für Leuchtstofflampen )
o Nennstrom, bei HF-Lampen lt. Datenblatt, sonst sollte er ca. 10-20% unter
dem 50Hz-Wert liegen.
o Spannungsabfall, bei HF-Lampen lt. Datenblatt, sonst ca. 30-50% unter dem
50Hz-Wert
o Startmethode, Vorheizung u.ä.
Trafodaten
o Induktivität je N^2
o Sättigungsgrenze
Arbeitsbedingungen
o Arbeitsfrequenz, ich empfehle 25 bis 35Khz
o Verhältnis von Sekundärspannung zu Lampenspannung, bei vorgeheizten
Elektroden reicht 3 meistens aus, bei direkter Zündung sollte die
Trafospannung mindestens 5* höher als die Brennspannung sein.
o Betriebsspannung, der häufigste Wert liegt wohl bei 12V
Die folgenden Rechnungen zeige ich am Beispiel eines Wandlers für eine 11WKompaktlampe an einem 12V-Bleiakku.
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Betriebsspannung 12V
Lampenstrom 140mA
Lampenspannung ungefähr 60-70V
Arbeitsfrequenz soll 30Khz sein
Ferritkern in EI-Form aus N27, Außenabmessungen l*b*h 27*42*18mm, innere
Kernbreite 10mm, Luftspalt ungefähr 2*0.6mm. AL-Wert ca. 450nH*N^2, Sättigung
bei dieser Kerngröße und diesem Luftspalt nicht zu erwarten.
Zündung durch Vorheizung mit ca. 5V (bei dieser Lampe hatte ich den eingebauten
Starter zu Testzwecken entfernt)
Sekundärspannung 240V
Berechnen wir zunächst einmal die Spannung am Serienkondensator, Ucs=sqr(Usek^2-Ul^2),
wir erhalten im Beispiel etwa 230V. Aus dieser Spannung, dem fließendem Strom von
140mA und der Arbeitsfrequenz von 30Khz läßt sich nun die erforderliche Kapazität
berechnen zu Cs=I/(2*PI*f*Uc), bei meiner Schaltung also zu 3.22nF, als nächster Normwert
empfehlen sich 3.3nF mit 400V. Als nächstes berechnen wir nun die Sekundärinduktivität
L3=1/((2*PI*f)^2*Cs), in meinem Beispiel zu ungefähr 8.5mH. Für diese Induktivität
benötigen wir L=sqr(L/AL) Windungen, im Beispiel also ungefähr 137. Das
Übersetzungsverhältnis berechnet sich nun bekanntlich zu Ü=U1/U2=N1/N2=I2/I1. In
meinem Fall ergibt sich für 12V Primär und 240V Sekundär ein Verhältnis von 1+1:20.
Teilen wir die bereits berechneten Sekundärwindungszahl durch dieses Verhältnis, so erhalten
wir 2*6.9 Windungen, was wir auf 2*7 Aufrunden. jetzt benötigen wir noch den Kondensator
Cprim, dieser sollte -umgerechnet- etwa ein Zehntel von Cs betragen, so daß die
Leerlauffrequenz etwa das 3-fache der Arbeitsfrequenz beträgt. Rechnen wir nun den Cs auf
die primäre Seite um, so erhalten wir Csequiv=Cs*(NL3/NL1ab)^2, in meinem Beispiel
erscheint Cs auf der Primärseite mit 330nF, als Cp habe ich hierbei 47nF gewählt. Die
Rückkopplungswicklung bekommt 1 Windung, die rückgekoppelte Spannung von 1.7V ist
mehr als ausreichend um den Oszilator zum Schwingen zu bringen. Als letzte Wicklungen
müssen jetzt noch die Vorheizwicklungen L4 und L5 berechnet werden, diese habe ich mit
jeweils 3 Windungen für 5V Heizspannung bemessen. Als nächstes Bauteil ist jetzt die
Drosselspule an der Reihe, diese ist völlig unkritisch, solange sie für die doppelte
Betriebsfrequenz geeignet ist, mindestens einige 100uH Induktivität hat, und den
Betriebsstrom verträgt. Hierzu eignen sich sowohl Ferritdrosseln mit Luftspalt als auch
Eisenpulver-Ringkernspulen sehr gut. Als Schalttransistoren eignen sich alle Typen, mit einer
Sperrspannung von mindestens 3*Ub, die den Betriebsstrom der Schaltung verkraften, und
dabei noch eine ausreichende Stromverstärkung haben. Ich persönlich habe hierzu BD437
benutzt, je nach geforderter Leistung sind aber auch viele andere Typen denkbar. Für kleine
Leistungen reichen z.B. BC337 aus, während für Hochleistungswandler dagegen BD249
angemessen wären. Eine Kühlung wird bei kleineren Leistungen nicht benötigt, da die
Transistoren kaum Verluste haben. An letzter Stelle erwähne ich den Basiswiderstand, er muß
ausreichend Strom fließen lassen, um den jeweils aufgesteuerten Transistor voll zu sättigen.
Reicht der Basisstrom nicht aus, so schwingt die Schaltung trotzdem normal, aufgrung der
überhöhten Verluste werden die Transistoren jedoch sehr heiß, und brennen durch, falls nicht
sofort abgeschaltet wird. Ich benutze in meinem Beispiel 330 Ohm, welche 36mA Basisstrom
fließen lassen.
Ich habe mir bei diesem Beispiel Mühe gegeben, die Werte so zu wählen, daß jeweils runde
Zahlen entstehen, um die Beispielrechnungen zu vereinfachen. Sowohl die im Text erwähnte,
als auch mehrere andere ähnliche Wandler funktionieren bei mir schon seit einiger Zeit
störungsfrei. Wer zufällig einen Ferritkern mit gleichen Daten zur Hand hat, kann die
angegebenen Werte direkt als Bauanleitung betrachten. Da es für den Hobbyelektroniker
jedoch meistens ein Problem ist, an Ferritkerne zu kommen, werde ich in nächster Zeit auch
einen Artikel über das Ausmessen, und Neubewickeln von Ferritkernen schreiben,
verwendbares Material findet sich sowohl in jedem Schaltnetzteil (Defekter Videorecorder,
Computermonitor, Fernsehempfänger usw.) als auch für wenig Geld bei einschlägigen
Restpostengeschäften.
Im Nachtrag möchte ich noch erwähnen, daß sich diese Schaltung auch für ganz andere
Zwecke verwenden läßt bei denen größere HF-Leistungen mit ein paar 10 bis 100 kHz
benötigt werden. Ich habe u.a. auch eine Versuchsschaltung mit der Sekundärspule eines TVZeilentrafos gebaut, die alle möglichen Gasentladungslampen (Plasmakugeln, echte
Neonröhren...) mit guten 10kV bei 60kHz versorgen kann. Dies ermöglicht sogar komplett
freischwebende elektrodenlose Glimmentladungen nur aufgrund des elektrischen Feldes, ist
aber eine recht gefährliche Sache für den Anfänger (So eine Schaltung kann kräftige
Lichtbögen liefern, die schmerzhafte Verbrennungen zur Folge haben und auch alles
mögliche in Sekundenbruchteilen entflammen lassen.
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Möge diese Schaltung Ihnen die Erleuchtung bringen :)