AT407461B - Ansteuerung für entladungslampe - Google Patents

Description

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   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energieversorgung einer Kaltkathodenlampe gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1. 



   Kaltkathodenlampen sind als komplexe Bauelemente zu verstehen und besitzen eine stück- weise negative Strom-Spannungskennlinie. Die Leuchtdichte und die zum Zünden der Röhre notwendige Spannung weisen eine grosse Temperaturabhängigkeit auf, wobei die Lebensdauer der Lampe bei hohen Zündspannungen sinkt. 



   Es sind unterschiedliche Möglichkeiten bekannt Gasentladungslampen anzusteuern (siehe z.B. 



  Patente US 4,920,474 A, EP 0537394 A1, US 5,309,350 A, EP 0058035 A1, EP 0023263 A1). Die US 4 463 284 A (Tamura et al.) beschreibt eine einfache Helligkeitsregelung für Kaltkathoden- lampen, bei welcher der Lampenstrom in Abhängigkeit von der Temperatur oder Leuchtdichte geregelt wird. Eine aufwendigere Regeleinrichtung ist in der DE 195 26 786 A1 (Mitsubishi) beschrieben. Dabei wird die Innentemperatur einer Lampe aus der Aussentemperatur oder aus charakteristischen Spannungsverhältnissen ermittelt. Die genannten Patente haben das gemein- same Problem, dass bei niedriger Temperatur, bei langen Röhren sowie bei in der nähe liegenden Metallteilen der untere Dimmbereich eingeschränkt wird. 



   Zu den Dokumenten, die sowohl Pulsbreitenmodulation als auch Pulspaketmodulation, jedoch keine durch einen Regler bewirkte Umschaltung zeigen, gehören unter anderem die US 5 481 162 A (Boenigk et al.), die US 4 937 505 A (Deglon et al.) und die US 4 087 722 A (Hancock). Auch im Buch 'Halbleiter-Schaltungstechnik' (Tietze, Schenk), Springer-Verlag, 9. 



  Auflage, Seite 563ff, wird angegeben, dass z. B. bei Schaltreglern beim Unterschreiten eines mini- malen Stromwertes Pausen zwischen den einzelnen Einschaltphasen eingefügt werden müssen. 



  Der kontinuierliche Übergang zwischen beiden Modulationsarten ist damit nicht erfüllbar, da die Zündzeit bei niedrigen Ansteuerspannungen stark variiert, wodurch die Lampenhelligkeit flackert. 



   In der US 5 315 214 A (Lesa) wird ein Moduswechsel zwischen zwei Modulationsarten (Frequenz- und Pulsweitenmodulation) durch ein Modussteuersignal beschrieben, ausserdem ist eine Übertemperaturabschaltung vorgesehen. Da der Moduswechsel nicht kontinuierlich erfolgt ist eine stetige Helligkeitsregelung im Umschaltbereich nicht möglich. 



   Die übliche Ausführung sind Resonanzwandler in Push-Pull-Konfiguration. Weiters sind Streu- transformatoren, vereinzelt DC-Ansteuerungen oder sogenannte 'Alternating DC'-Ansteuerungen bekannt. Ausgangsschaltungen mit Umpolung sind etwa der US 4 356 432 A (Vinarub) und der US 5 212 428 A (Sasaki et al.) zu entnehmen. Streutransformatoren werden bei Anwendungen hoher Leistung verwendet, haben aber die Nachteile von schlechtem Wirkungsgrad, grosser Bau- form und grosser Eingangsblindleistung, erheblicher Störgeräusche und sie lassen sich nur schwer dimmen. DC-Ansteuerungen verringern die Lebensdauer der Lampe erheblich und werden haupt- sächlich im Labor eingesetzt.

   Eine bessere Methode ist die 'Alternating DC'-Ansteuerung, bei der die Lebensdauer der Lampe nicht verschlechtert wird, sich aber hier Nachteile durch die aufwen- dige oder langsame Umschaltung der Hochspannung sowie ebenfalls beim Dimmen ergeben, da grundsätzlich Hochspannungsquellen mit hoher Quellimpedanz nur aufwendig zu realisieren sind. 



  Resonanzwandler sind kostengünstige und weit verbreitete Lösungen, wobei die Dimmbarkeit hier in kleinen Grenzen durch Ändern der Versorgungsspannung möglich ist. Der Dimmbereich kann durch Pulsbreitenmodulation und zusätzlich durch Stromgegenkopplung verbessert werden, der grösste Verstellbereich wird durch Pulspaketmodulation erzielt. Da die Lampe bei Pulsbreiten- modulation kontinuierlich betrieben wird, wird die Zündspannung nur selten benötigt und die primäre Stromaufnahme weist geringe Spitzen auf, was eine Schonung der Lampe und der ver- wendeten Bauteile zur Folge hat. Weiters lässt sich bei dieser Betriebsart durch Variation der Puls- breite eine Änderung der Eingangsspannung des Resonanzwandlers kompensieren.

   Der minimale Dimmzustand wird bestimmt durch die Grenzamplitude des Lampenstromes, wodurch sich ein minimal möglicher Effektivwert ergibt, bei der das beim Zündvorgang angeregte Plasma gelöscht wird, wobei es zusätzlich durch parasitäre Kapazitäten gegen Gehäuseteile oder andere Potentiale zu einer nur partiellen Anregung des Gases kommen kann. Bei Pulspaketmodulation wird die Lampe periodisch gezündet, wobei das System bestehend aus Resonanzwandler mit Lampe als integrativem Bestandteil durch ein Pulspaket während der Einschaltdauer in Resonanz gehalten wird und nach Abschalten der Anregung mit der systemeigenen Resonanzfrequenz ausschwingt. 



  Der Effektivwert des Lampenstromes und damit auch der emittierten Leuchtdichte lässt sich somit niedriger einstellen als bei Pulsbreitenmodulation, weiters weist ein in Resonanz befindlicher 

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 Oszillator definitionsgemäss die geringsten Verluste auf, wobei allerdings durch die periodische Zündung, die zumindest über 50 Hz liegen muss, die Lampe stärker beansprucht wird. 



   Der gegenständlichen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vorschaltgerät für Kalt- kathodenlampen bei bestmöglicher Optimierung der Lebensdauer der Lampe zu schaffen, welches eine vorgegebene Leuchtdichte so weit wie möglich unabhängig von Umgebungs- und Einbaube- dingungen konstant hält und/oder über einen möglichst grossen Dimmbereich einstellbar macht. 



  Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst. 



   Fig.1 beschreibt den Aufbau des gegenständlichen Vorschaltgerätes, wobei die Leuchtdichte der durch die Endstufe (3) angesteuerten Kaltkathodenlampe (4) vom Regler (2) unter Berück- sichtigung einer optimierten Lebensdauer der Lampe dem vorgegebenen Sollwert möglichst ange- glichen wird. 



   Fig. 2 zeigt einen typischen normierten Leuchtdichteverlauf (L/Lmax) über der Temperatur (T) bei konstantem Strom. 



   Fig. 3 zeigt den Schaltplan einer möglichen Realisierung der gegenständlichen Erfindung. 



     Fig.4   zeigt zusätzlich zu der in Fig. 3 gezeigten Realisierung eine optionale 'Alternating DC'-Ansteuerung der Lampe. 



   Die in Fig. 1 beschriebene Ansteuerung besteht aus einem mit Gleichspannung versorgten Resonanzwandler mit zumindest einer Serienschaltung von Reaktanz (3) und Kaltkathodenlampe (4) im Lastkreis und einer im folgenden als Steuerteil bezeichneten Komponente, die entweder nur aus Regler (2) bestehen oder aber zusätzlich Interface (1) und/oder Messwerterfassung (5) enthalten kann, wobei das Interface zur Kommunikation mit der Umwelt dient, mittels dessen sowohl Sollwertvorgaben extern erfolgen als auch andere Parameter wie z. B. die Umgebungs- helligkeit (Ea) erfasst werden können, wodurch eine Adaptierung des Regelkreises an statische oder sich verändernde Bedingungen ermöglicht wird.

   Da die Leuchtdichte der Lampe bei konstantem Strom stark von der Temperatur abhängig ist (Fig.2), ermittelt die Messwerterfassung (5) einen von der Lampentemperatur, die naturgemäss auch die Umgebungstemperatur (Ta) mitberücksichtigt, abhängigen Korrekturfaktor, der den vom Regler (2) bestimmten Strom in dem Ausmass verändert, dass die vorgegebene Leuchtdichte möglichst genau erreicht wird. Da die Eigenerwärmung der Kaltkathodenröhre bei einem definierten Lampenstrom gemäss einer lampenspezifischen Zeit- konstante erfolgt, kann die Lampentemperatur nicht nur gemessen sondern auch berechnet werden. Die Ermittlung der Lampentemperatur ermöglicht weiters, störungsbedingte Übertempera- turen der Lampe zu detektieren und geeignete Gegenmassnahmen einzuleiten. 



   Im Falle einer direkten Rückführung der Leuchtdichte wird der Lampenstrom in der Art einge- stellt, dass die gemessene Leuchtdichte dem Sollwert entspricht und somit die Leuchtdichte betref- fenden Temperatur- als auch Alterungseffekte kompensiert werden. 



   Die Endstufe (3) der gegenständlichen Erfindung ist vorzugsweise als Resonanzwandler aus- geführt, die Stromsteuerung erfolgt dabei durch Variation von Amplitude und/oder des Tastver- hältnisses (Pulsbreiten- und/oder Pulspaketmodulation), wobei bei Pulspaketmodulation eine direkte li(t)dt-   (Lampenstrom-Zeitflächen)-Gegenkopplung   verwendet werden kann. 



   Eine Optimierung des Dimmbereiches als auch der Lebensdauer der Lampe lässt sich durch alternative Auswahl von Pulsbreiten- und Pulspaketmodulation in Abhängigkeit des   Lampenstro-   mes und/oder der Leuchtdichte sowie durch Reduktion der Amplitude der Zündspannung auf ein Minimum in Abhängigkeit der Lampentemperatur erzielen. Die Lampe wird mittels Pulsbreiten- modulation im Dimmbereich von Maximum bis zur Grenzamplitude des Lampenstromes, bei der das beim Zündvorgang angeregte Plasma gelöscht wird, kontinuierlich betrieben, anschliessend erfolgt die Umschaltung auf Pulspaketmodulation, bei der eine periodische Zündung der Lampe bei jedoch niedrigerem Effektivwert des Lampenstromes erfolgt und damit der Dimmbereich nach unten   erweitert   wird. 



   Zusätzlich zur beschriebenen Lösung kann der Ausgang als geschalteter Gleichrichter ausge- führt sein, der das Ausgangssignal gleichrichtet und periodisch verpolt an die Lampe legt, um die 
Homogenität der Leuchtdichte an der Lampenoberfläche zu verbessern. 



   Sämtliche dargestellten Lösungen können zum Grossteil auch für alle anderen Formen von Gasentladungslampen als Kaltkathodenlampen angewendet werden. Eine Realisierungsmöglich- keit des beschriebenen Systems ist in den Schaltplänen in Fig. 3 und   Fig.4   ersichtlich. 



   Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin: 

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 a) die Leuchtdichte von Kaltkathodenlampen unabhängig von Umgebungsbedingungen einem vorgegebenen Wert möglichst genau anzugleichen. b) den Dimmbereich durch Kombination von Pulsbreiten- und Pulspaketmodulation mit optionaler Gleichrichtung und periodischer Verpolung des Ausgangssignals zu maximieren. c) durch die Rückführung ein oder mehrerer Ausgangsgrössen wie zum Beispiel Leuchtdichte und/oder Temperatur und/oder Lampenspannung Fehler des Systems wie zum Beispiel Alterung, Kurzschluss, Unterbrechung oder sonstige Fehler zu erkennen. d) die Leistung des Systems in Abhängigkeit von der Temperatur zu begrenzen oder die Lampe abzuschalten. 



   Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung verwendet einen Mikro- controller, in dem Kennfelder der Kaltkathodenlampe abgelegt sind und dazu verwendet werden, die optimalen Lampeneingangsparameter zur Erzielung der gewünschten Leuchtdichte zu ermitteln. Ebenso kann der Mikrocontroller verwendet werden, um die Pulspaketwiederholrate mit der von aussen zugeführten Bildwiederholfrequenz zu korrelieren, wodurch Interferenzen bei LCD-Hinterleuchtung vermieden werden können. 



   Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung berücksichtigt die Umgebungshelligkeit, um die Leuchtdichte der Lampe an diese anzupassen. 



   Weiters kann die Betriebstemperatur der Kaltkathodenlampe durch eine elektrisch verstellbare externe Kühlung optimiert werden, wodurch der Wirkungsgrad des Gesamtsystems verbessert wird. 



   PATENTANSPRÜCHE: 
1. Verfahren zur Energieversorgung einer Kaltkathodenlampe mit partiell negativer Strom-   Spannungskennhnie,   die in Serie mit einer Reaktanz liegt und durch eine Endstufe betrieben wird, die mit einem Steuerteil verbunden ist, wobei die Endstufe einen mit 
Gleichspannung versorgten Resonanzwandler enthält und der Steuerteil einen Regler und einen Speicher für einen vorgegebenen Sollwert der Leuchtdichte aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdichte der Kaltkathodenlampe (4) ermittelt wird, und zwar entweder durch direkte Messung oder durch Messung des Lampenstromes und 
Berechnung der Leuchtdichte, dass der Regler (2) die Endstufe (3) mittels Pulsbreiten- und/oder Pulspaketmodulation ansteuert, wobei der Regler (2) die Modulationsart abhän- gig vom Lampenstrom und/oder der Leuchtdichte wechselt, dass der Regler (2)

   den Effek- tivwert des durch die Endstufe (3) generierten Lampenstromes durch Steuerung der Ampli- tude und/oder des Tastverhältnisses so einstellt, dass die ermittelte Leuchtdichte dem vor- gegebenen Sollwert entspricht, und dass im Fall einer Berechnung der Leuchtdichte aus dem Lampenstrom zusätzlich ein von der Lampentemperatur abhängiger Korrekturfaktor berücksichtigt wird, der entsprechend der lampenspezifischen Korrelation von Leucht- dichte, Lampenstrom und Lampentemperatur ermittelt wird, wobei die Lampentemperatur entweder gemessen oder mittels einer lampenspezifischen Zeitkonstante berechnet wird.

Claims (1)

1. 2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangs- signal der Endstufe (3) gleichgerichtet und periodisch verpolt an die Lampe (4) gelegt wird.

   3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerteil die ein- oder mehrdimensionalen Kennfelder der Lampe (4) berücksichtigt.

   4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerteil die Vorgabe des Sollwertes und/oder anderer Parameter über eine Schnittstelle (1) erhält.

   5. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulspaket- wiederhoirate mit der Bildwiederholfrequenz korreliert wird, um Interferenzen bei LCD-Hinterleuchtung zu vermeiden.

   6. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Übertempera- turen, die zu Zerstörung der Lampe (4) führen können, detektiert und geeignete Mass- nahmen eingeleitet werden.

   7. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der Lampe (4) und/oder andere externe Verbraucher durch ein vom Steuerteil generiertes <Desc/Clms Page number 4> Signal gesteuert werden.

   8. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert der Leuchtdichte die Umgebungshelligkeit (Ea) berücksichtigt.