DE102004021243B3

DE102004021243B3 - Device for generating electrical voltage pulse sequences, in particular for the operation of capacitive discharge lamps and their use

Info

Publication number: DE102004021243B3
Application number: DE102004021243A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Prof. Dr. Heering; Hans-Peter Dipl.-Ing. Daub; Richard Dipl.-Ing. Winkelmann
Original assignee: Universitaet Karlsruhe
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2024-05-01
Also published as: WO2005107339A1; EP1741319A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischen Spannungsimpulsfolgen, insbesondere zum Betrieb von kapazitiven Entladungslampen, mit zumindest zwei ansteuerbaren Schaltelementen zur Erzeugung unipolarer oder bipolarer Spannungsimpulsfolgen aus einer an einem Eingang anliegenden Gleichspannung einer Spannungsquelle. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine über die Schaltelemente als gesteuerte Stromquelle betriebene Speicherdrossel zwischen den Schaltelementen angeordnet ist, so dass über eine durch die Schaltelemente einstellbare Ladezeit der Speicherdrossel die Anstiegszeit von Spannungsimpulsen der Spannungsimpulsfolgen an einer am Ausgang angekoppelten Last beeinflussbar ist, und dass Inversdioden zur Rückspeisung nicht benötigter Drosselenergie die Speicherdrossel mit dem Plus- bzw. Minuspol der Gleichspannungsquelle verbinden. DOLLAR A Mit der vorliegenden Vorrichtung lässt sich ein Vorschaltgerät für dielektrisch behinderte Entladungslampen realisieren, das sich selbstständig an die Kapazität der jeweiligen Entladungslampe anpasst.The present invention relates to a device for generating electrical voltage pulse sequences, in particular for the operation of capacitive discharge lamps, with at least two controllable switching elements for generating unipolar or bipolar voltage pulse trains from a voltage applied to an input DC voltage of a voltage source. The device is characterized in that a storage choke operated via the switching elements as a controlled current source is arranged between the switching elements, so that the rise time of voltage pulses of the voltage pulse trains can be influenced at a load coupled to the output via a charging time of the storage choke that can be set by the switching elements, and inverse diodes for feeding back unneeded choke energy connect the storage choke with the plus or minus pole of the DC voltage source. DOLLAR A With the present device can be realized a ballast for dielectrically impeded discharge lamps, which adapts itself to the capacity of the respective discharge lamp.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischen Spannungsimpulsfolgen, insbesondere zum Betrieb von kapazitiven Entladungslampen, mit zumindest zwei ansteuerbaren Schaltelementen zur Erzeugung der Spannungsimpulsfolgen aus einer an einem Eingang anliegenden Gleichspannung einer Spannungsquelle und ihre Verwendung.The The present invention relates to a device for the production of electrical voltage pulse sequences, in particular for the operation of capacitive discharge lamps, with at least two controllable switching elements for generating the voltage pulse trains from one at an input applied DC voltage of a voltage source and their use.

Für den effizienten Betrieb von Barriereentladungen in dielektrisch behinderten Entladungslampen müssen geeignete elektrische Spannungsimpulsfolgen erzeugt und angelegt werden. Dielektrisch behinderte Entladungslampen (DBE) besitzen allerdings je nach Bauart unterschiedliche Kapazitäten. Die zum Betrieb dieser Lampen erforderlichen Vorschaltgeräte müssen an die Kapazität der Entladungslampe angepasst sein. Dies führt bisher zu einer Einschränkung der verfügbaren Lampentypen und Lampengrößen, da für unterschiedliche Lampentypen und Lampengrößen unterschiedliche Vorschaltgeräte erforderlich sind oder eine spezielle Anpassung der Vorschaltgeräte an die jeweilige Lampe vorgenommen werden muss.For the efficient Operation of barrier discharges in dielectrically impeded discharge lamps must be suitable electrical voltage pulse sequences are generated and applied. dielectric Disabled discharge lamps (DBE), however, depending on the design different capacities. The ballasts required to operate these lamps must be on the capacity be adapted to the discharge lamp. This leads to a limitation of the available Lamp types and lamp sizes, there for different Lamp types and lamp sizes different ballasts necessary or a special adaptation of the ballasts to the respective lamp must be made.

Gerade im Bereich der Lichtwerbungstechnik wird aufgrund ihrer freien Formbarkeit ein verstärkter Einsatz von dielektrisch behinderten Entladungslampen angestrebt. Da für diese Anwendung individuell gestaltete Lampengeometrien erwünscht sind, besitzt jede dieser Lampen unterschiedliche Betriebsparameter. Eine Bereitstellung unterschiedlicher Vorschaltgeräte für eine Vielzahl unterschiedlicher Lampen verursacht hohe Kosten, so dass in der Regel lediglich eine manuelle Anpassung weniger Vorschaltgeräte an die jeweiligen Lampentypen bzw. Lampengrößen in Frage kommt. Auch diese manuelle Anpassung ist jedoch aufwendig und führt zu erhöhten Kosten. Ohne eine Anpassung des Vorschaltgerätes wird die Lampe ineffizient betrieben. Im ungünstigsten Fall kann das Vorschaltgerät zerstört werden, wenn in den als Schaltelementen eingesetzten Leistungshalbleitern aufgrund der Fehlanpassung ein zu großer Energieanteil in Wärme umgesetzt wird.Just in the field of illuminated advertising technology is due to their free formability an increased commitment sought by dielectric barrier discharge lamps. Because for this Application of custom designed lamp geometries are desired, Each of these lamps has different operating parameters. A Provision of different ballasts for a variety of different Lamps cause high costs, so usually only one Manual adjustment of fewer ballasts to the respective lamp types or lamp sizes in question comes. However, this manual adjustment is complicated and leads to increased costs. Without an adaptation of the ballast, the lamp becomes inefficient operated. In the worst case Case may be the ballast destroyed when in the power semiconductors used as switching elements Due to the mismatch, too much energy is converted into heat.

Bisher sind Vorschaltgeräte für dielektrisch behinderte Entladungslampen bekannt, die mit einer Vollbrücken-Schaltungsanordnung aus einer Gleichspannung eine hochfrequente sinusähnliche Wechselspannung erzeugen. Ein Beispiel hierfür ist das Vorschaltgerät aus J. Kunze et al., „Resonant Power Supply for Barrier Discharge UV-Excimer-Sources" IEEE Industry Application Society Annual Meeting, Houston, USA, 1992, Seiten 750-753.So far are ballasts for dielectric Disabled discharge lamps known with a full-bridge circuit from a DC voltage a high-frequency sine-like Generate AC voltage. An example of this is the ballast from J. Kunze et al., "Resonant Power Supply for Barrier Discharge UV Excimer Sources "IEEE Industry Application Society Annual Meeting, Houston, USA, 1992, pages 750-753.

Aus der EP 0781078 A2 ist eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Spannungsimpulsfolgen für den Betrieb von dielektrisch behinderten Entladungen bekannt, die eine unipolare Spannungsimpulsfolge erzeugt. Diese Schaltungsanordnung weist einen von einer Eingangs spannung gespeisten Ladekreis mit einem Ladekondensator, einen Entlade- und Pulskreis mit schnellen steuerbaren Schaltelementen und einen Impulsübertrager mit daran anschließbarer Last auf. Durch geeignete Ansteuerung der Schaltelemente wird periodisch die im Ladekondensator gespeicherte elektrische Energie über den Impulsübertrager auf die Last, die DBE, übertragen.From the EP 0781078 A2 a circuit arrangement for generating voltage pulse sequences for the operation of dielectrically impeded discharges is known, which generates a unipolar voltage pulse train. This circuit has a voltage supplied by an input charging circuit with a charging capacitor, a discharge and pulse circuit with fast controllable switching elements and a pulse transformer with connectable load. By suitable control of the switching elements, the electrical energy stored in the charging capacitor is periodically transmitted to the load, the DBE, via the pulse transformer.

Auch diese Vorschaltgeräte müssen jedoch jeweils durch eine Fachkraft an die Kapazität der angeschlossenen Entladungslampe angepasst werden.Also these ballasts have to However, each by a specialist to the capacity of the connected Discharge lamp can be adjusted.

Die EP 1110434 B1 beschreibt ein elektronisches Vorschaltgerät sowie ein Betriebsverfahren für eine Entladungslampe mit dielektrisch behinderter Entladung, bei dem ein Umschwingen der dielektrischen Entladung ausgenutzt wird, um eine Rückzündung zu initiieren und so den Wirkungsgrad der Lampe zu verbessern.The EP 1110434 B1 describes an electronic ballast and method of operation for a discharge-impeded discharge lamp in which a dielectric discharge swing is utilized to initiate restrike to improve the efficiency of the lamp.

Die EP 1176853 A1 beschreibt eine Schaltungstopologie einer Vorrichtung zum Betrieb einer Entladungslampe mit dielektrisch behinderter Entladung, die zwei oder vier Inversdioden zur Rückspeisung nicht benötigter Energie aufweist.The EP 1176853 A1 describes a circuit topology of a device for operating a discharge lamp with dielectrically impeded discharge, which has two or four inverse diodes for feeding back unneeded energy.

Aus dem Bereich der Umrichtertechnik für elektrische Antriebe mit Leistungen im kW-Bereich ist eine Schaltungsanordnung unter dem Begriff ARCPI (Auxiliary Resonant Commutated Pole Inverter) bekannt, die eine Drossel zwischen Ladekondensatoren und den parallel dazu angeordneten Schaltelementen einsetzt. Die Drossel wird über einen gesonderten Schalter lediglich zu Umladevorgängen in den Ladekreis geschaltet, um die Schaltelemente in Spannungsnulldurchgängen schalten zu können. Eine Umsetzung dieser Schaltungstechnik für den Betrieb von Leuchten ist aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen nicht bekannt.From the field of converter technology for electric drives with power in the kW range, a circuit arrangement under the term ARCPI (Auxiliary Resonant Commutated Pole Inverter) is known which uses a choke between charging capacitors and arranged in parallel switching elements. The throttle is switched via a separate switch only to transhipment in the charging circuit to switch the switching elements in voltage zero crossings can. An implementation of this circuit Technology for the operation of luminaires is not known because of the different requirements.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischen Spannungsimpulsfolgen anzugeben, die sich insbesondere für den Betrieb als adaptives Vorschaltgerät dielektrisch behinderter Entladungslampen eignet und eine automatische Anpassung an die Kapazität der zu betreibenden Last ermöglicht. The The object of the present invention is a device to indicate the generation of electrical voltage pulse sequences, especially for the operation as an adaptive ballast dielectrically handicapped Discharge lamps suitable and automatic adjustment to the capacity of the operated Load allows.

Darstellung der Erfindungpresentation the invention

Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und deren Verwendung nach Patentanpruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The Task is with the device according to claim 1 and their Use according to patent claim 9 solved. Advantageous embodiments the device are the subject of the dependent claims or can be the following Description and the embodiments remove.

Die vorliegende Vorrichtung mit zumindest zwei ansteuerbaren Schaltelementen zur Erzeugung unipolarer oder bipolarer Spannungsimpulsfolgen aus einer an einem Eingang anliegenden Gleichspannung einer Spannungsquelle zeichnet sich dadurch aus, dass eine über die Schaltelemente als gesteuerte Stromquelle betreibbare Speicherdrossel zwischen den Schaltelementen angeordnet ist, so dass über eine durch die Schaltelemente einstellbare Ladezeit der Speicherdrossel die Anstiegszeiten von Spannungsimpulsen der Spannungsimpulsfolgen an einer am Ausgang der Vorrichtung angekoppelten Last beeinflussbar sind, und dass Inversdioden zur Rückspeisung nicht benötigter Drosselenergie die Speicherdrossel mit dem Plus- bzw. Minuspol der Gleichspannungsquelle verbinden.The present device with at least two controllable switching elements to generate unipolar or bipolar voltage pulse sequences a voltage applied to an input DC voltage of a voltage source is characterized by the fact that one of the switching elements as controlled power source operable storage throttle between the Switching elements is arranged so that one through the switching elements adjustable charging time of the storage choke the rise times of Voltage pulses of the voltage pulse trains at one at the output the device coupled load can be influenced, and that Inverse diodes for feedback not needed Drosselelenergie the storage choke with the plus or minus pole of the Connect DC voltage source.

Die Entwicklung der vorliegenden Vorrichtung geht auf die Erkenntnis zurück, dass eine dielektrisch behinderte Entladungslampe den optimalen Lampenwirkungsgrad besitzt, wenn die die Anstiegsflanke der an der Lampe anliegenden Spannung eine gewisse Steilheit aufweist. Durch geeignete Einstellung dieser Steilheit bzw. der damit verbundenen Anstiegszeit der Spannung kann dann das Vorschaltgerät an die Lampe angepasst werden. Mit der vorliegenden Vorrichtung lässt sich die Spannungsanstiegsflanke und optional auch die abfallende Flanke alleine durch unterschiedliche Ansteuerung der Schaltelemente in der Steilheit verändern, so dass für eine Anpassung an unterschiedliche Lasten kein Eingriff in die Schaltung mehr vorgenommen werden muss. Dies wird durch eine gesteuerte Stromquelle in Form einer Speicherdrossel in der Schaltungsanordnung realisiert, über deren über die Schaltelemente steuerbare Ladezeit die Anstiegszeit und somit die Steilheit der Anstiegsflanke der Spannungsimpulse an der Last beeinflussbar ist. Je länger die Speicherdrossel geladen wird, d. h. je mehr Energie in der Drossel gespeichert wird, desto größer ist der Strom, mit dem die Drossel anschließend die Kapazität der angeschlossenen Last umlädt. Mit der Größe des Stroms, den die Speicherdrossel treibt, wird somit die Anstiegszeit der Spannung an der Last eingestellt. Dies ermöglicht eine Anpassung der vorliegenden Vorrichtung, im Folgenden auch als Vorschaltgerät bezeichnet, an die jeweilige Last alleine durch geeignete Ansteuerung der Schaltelemente zum Laden und Entladen der Speicherdrossel. Nach Laden der Lampenkapazität wird über die Inversdioden parallel zu den Schaltern der restliche Drosselstrom in die Ladekapazität zurückgespeist.The Development of the present device is based on the knowledge back, a dielectrically impeded discharge lamp is the optimum one Lamp efficiency has, if the rising edge of the at the Lamp voltage applied has a certain slope. By appropriate adjustment of this slope or the associated Rise time of the voltage can then the ballast to the Lamp to be adjusted. With the present device can be the voltage rising edge and optionally also the falling edge alone by different control of the switching elements in to change the steepness, so for an adaptation to different loads no interference with the circuit more needs to be done. This is done by a controlled power source realized in the form of a storage inductor in the circuit arrangement, via whose over the Switching elements controllable charging time the rise time and thus the slope the rising edge of the voltage pulses on the load can be influenced is. The longer the storage choke is loaded, d. H. the more energy in the throttle is saved, the bigger it is the current with which the choke then connects the capacity of the connected Load transports. With the size of the stream, which drives the storage choke, is thus the rise time of the Voltage adjusted to the load. This allows an adaptation of the present Device, hereinafter also referred to as a ballast, to the respective load solely by suitable control of the switching elements for charging and discharging the storage choke. After loading the lamp capacity is over the Inverse diodes in parallel with the switches of the remaining inductor current in the loading capacity fed back.

In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Vorrichtung wird eine Messeinrichtung zur direkten oder indirekten Erfassung der Anstiegszeit der Spannung an der Last in Verbindung mit einer digitalen Regelung eingesetzt, die die Schaltvorgänge der Schaltelemente zum Laden und Entladen der Speicherdrossel so steuert, dass eine vorgebbare Anstiegszeit bzw. Steilheit der Spannungsanstiegsflanken eingehalten wird. Mit dieser Ausgestaltung wird die automatische Anpassung des Vorschaltgerätes an die jeweils zu betreibende Last erreicht. Das Vorschaltgerät kann somit mit unterschiedlichen DBE oder anderen Leuchten ohne irgendeine zusätzliche Anpassung betrieben werden. Dies bietet insbesondere Vorteile bei der Realisierung von DBE oder anderen mit elektrischen Spannungsimpulsfolgen zu betreibenden Leuchten, die in unterschiedlichsten Größen und somit Kapazitäten für Lichtwerbungszwecke eingesetzt werden sollen. Selbstverständlich lässt sich das vorliegende Vorschaltgerät auch für andere mit elektrischen Spannungsimpulsfolgen zu betreibende Lasten einsetzen, die vergleichbare transiente Ladeströme benötigen.In a very advantageous development of the present device becomes a measuring device for direct or indirect detection the rise time of the voltage at the load in conjunction with a Digital control used the switching operations of the Controls switching elements for charging and discharging the storage choke so that a predeterminable rise time or slope of the voltage rise edges is complied with. With this configuration, the automatic Adaptation of the ballast reached to the respective load to be operated. The ballast can thus with different DBE or other lights without any additional Adjustment to be operated. This offers particular advantages the realization of DBE or others with electrical voltage pulse sequences to be operated lights, in different sizes and thus capacities for light advertising purposes should be used. Of course, the present ballast can also be used for others use loads to be operated with electrical voltage pulse sequences, need comparable transient charging currents.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of drawings

Die vorliegende Vorrichtung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:The The present device will now be described with reference to exemplary embodiments explained in more detail in conjunction with the drawings. Hereby show:

1 ein erstes Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung zur Erzeugung von bipolaren Spannungsimpulsfolgen; 1 a first example of an embodiment of the present device for generating bipolar voltage pulse trains;

2 ein Beispiel für Ansteuersignale zum Betrieb der Vorrichtung gemäß 1; 2 an example of drive signals for operating the device according to 1 ;

3 ein Beispiel für den Verlauf der Lampenspannung bei unterschiedlichen Ladezeiten der Speicherdrossel der Vorrichtung gemäß 1; 3 an example of the course of the lamp voltage at different charging times of the storage throttle of the device according to 1 ;

4 ein zweites Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung zur Erzeugung von unipolaren Spannungsimpulsfolgen; 4 a second example of an embodiment of the present device for generating unipolar voltage pulse trains;

5 ein Beispiel für Ansteuersignale zum Betrieb der Vorrichtung gemäß 4; und 5 an example of drive signals for operating the device according to 4 ; and

6 ein Beispiel für eine Messschaltung zur Erfassung der Anstiegszeit der Lampenspannung. 6 an example of a measuring circuit for detecting the rise time of the lamp voltage.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to execute the invention

1 zeigt ein erstes Beispiel für eine mögliche Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung die auf dem Schaltungskonzept der ARCPI-Schaltung aufbaut. Dieses Schaltungskonzept wurde bei der vorliegenden Vorrichtung so verändert, dass eine eigenständige Anpassung des Vorschaltgerätes an die Kapazität der Barriereentladung einer DBE möglich ist. Die Schaltungsanordnung setzt sich aus vier Schaltelementen IGBT1, IGBT2, MOS1 und MOS2 zusammen, die zu einer Brückenschaltung verschaltet sind. Zwischen den beiden ersten Schaltelementen IGBT1 und IGBT2 und den beiden zweiten Schaltelementen MOS1 und MOS2 ist eine Speicherdrossel L1 angeordnet, die als gesteuerte Stromquelle betrieben wird. Die beiden im vorliegenden Fall als IGBT's ausgebildeten Schaltelemente IGBT1 und IGBT2 verbinden die Speicherdrossel L1 mit der am Eingang anliegenden Eingangsspannung E1 bzw. mit Masse. Die durch geeignete Ansteuerung der vier Schaltelemente erzeugbaren Spannungsimpulsfolgen liegen mittels einer Trennkapazität C2 zur Entkopplung von Gleichströmen am Transformator TR an. Dabei wird die unipolare Rechteckspannung am Ausgang der oberen Halbbrücke zu einer bipolaren Rechteckspannung an der Primärseite des Transformators. An der Sekundärseite des Transformators liegt die Last, im vorliegenden Beispiel eine dielektrisch behinderte Entladungslampe an, die durch das Ersatzschaltbild mit den Kapazitäten Cd1, Cgap, Cd2 und dem Plasmastrom I1 repräsentiert ist. 1 shows a first example of a possible embodiment of the present device based on the circuit concept of the ARCPI circuit. This circuit concept has been changed in the present device so that an independent adaptation of the ballast to the capacity of the barrier discharge of a DBE is possible. The circuit is composed of four switching elements IGBT1, IGBT2, MOS1 and MOS2, which are connected to form a bridge circuit. Between the two first switching elements IGBT1 and IGBT2 and the two second switching elements MOS1 and MOS2, a storage inductor L1 is arranged, which is operated as a controlled current source. The two formed in the present case as IGBT's switching elements IGBT1 and IGBT2 connect the storage inductor L1 with the input voltage applied to the input E1 or ground. The voltage pulse sequences which can be generated by suitable control of the four switching elements are applied to the transformer TR by means of a separating capacitor C2 for decoupling direct currents. The unipolar square-wave voltage at the output of the upper half-bridge becomes a bipolar square-wave voltage at the primary side of the transformer. On the secondary side of the transformer, the load, in the present example, a dielectrically impeded discharge lamp, which is represented by the equivalent circuit diagram with the capacitances Cd1, Cgap, Cd2 and the plasma current I1.

Durch unterschiedlich lange Ladezeiten der Speicherdrossel L1, die das wesentliche Bauteil dieser Schaltung ausmacht, können die Anstiegs- und Abfallzeiten der Spannung an der Barriereentladung der Entladungslampe eingestellt werden. Dadurch wird die Leistungseinkopplung in die Barriereentladung beeinflusst und eine Anpassung an unterschiedliche Kapazitäten der Barriereentladung ermöglicht.By Charge times of the storage choke L1 of different lengths that cause the essential component of this circuit can make the rise and fall times the voltage at the barrier discharge of the discharge lamp is set become. This turns the power input into the barrier discharge influenced and adapted to different capacities of the Barrier discharge allows.

Die Ausgangsspannung V_A der Brückenschaltung ist zusammen mit dem Strom I_L1 über die Speicherdrossel L1 und den zugehörigen Ansteuersignalen für die durch Leistungshalbleiter realisierten Schaltelemente in 2 aufgetragen. Die Schaltelemente können selbstverständlich auch durch andere als die dargestellten Halbleiterelemente realisiert sein. Auch können bspw. anstelle der IGBT's IGBT1 und IGBT2 ebenfalls MOSFET's eingesetzt werden.The output voltage V _{A of} the bridge circuit is together with the current I _L1 via the storage inductor L1 and the associated control signals for the realized by power semiconductors switching elements in 2 applied. Of course, the switching elements can also be realized by other than the illustrated semiconductor elements. It is also possible, for example, to use MOSFETs instead of the IGBTs IGBT1 and IGBT2.

Die Brückenansteuersignale für den Betrieb der Schaltungsanordnung der 1 sind aus der 2 ersichtlich. Durch die über die Kombination der Schaltvorgänge steuerbare Aufladezeit der Speicherdrossel, die als induktiver Energiespeicher dient, kann die bei der Entladung erzeugte Anstiegsflanke und der Spannungsimpulse eingestellt werden. Dies erfolgt durch eine entsprechende Steuerschaltung, in der die Schaltzyklen konfigurierbar sind.The Brückenansteuersignale for the operation of the circuit arrangement of 1 are from the 2 seen. The charging time of the storage inductor, which serves as an inductive energy store, can be controlled by means of the combination of the switching operations, the rising edge generated during the discharge and the voltage pulses can be set. This is done by a corresponding control circuit in which the switching cycles are configurable.

3 zeigt ein Beispiel für unterschiedliche Anstiegsflanken der Lampenspannung U_a, die durch unterschiedliche Ladezeiten der Drossel L1 erhalten werden. Der Spannungsverlauf wurde auf Basis eines Simulationsmodells berechnet. 3 shows an example of different rising edges of the lamp voltage U _a , which are obtained by different charging times of the inductor L1. The voltage curve was calculated on the basis of a simulation model.

Mit der dargestellten Schaltungsanordnung wird ein Vorschaltgerät für dielektrisch behinderte Entladungslampen bereitgestellt, mit dem die Spannung in den Parametern Frequenz, Amplitude, Anstiegszeit und Abfallzeit sowie Impuls-Pausenverhältnis (duty-cycle) in den folgenden Bereichen verändert werden kann: Frequenz f: 20 kHz – 100 kHz t_Anstieg, t_Abfall: 90 ns – 500 ns duty-cycle: 1% – 70% ΔU_Lampe: 0 V – 4 kV. With the illustrated circuit arrangement, a ballast for dielectrically impeded discharge lamps is provided, with which the voltage in the parameters frequency, amplitude, rise time and fall time and duty cycle can be changed in the following areas: Frequency f: 20kHz - 100kHz t _rise , t _waste: 90ns - 500ns duty cycle: 1% - 70% ΔU _lamp : 0V - 4 kV.

Vorzugsweise wird eine Messeinrichtung 2 zur Erfassung der Anstiegszeit bzw. Steilheit der erzeugten Spannungsimpulse eingesetzt, die die Messdaten einer digitalen Regelung 1 zuführt. Die digitale Regelung überwacht diese Anstiegszeiten und steuert die Ladezeiten der Speicherdrossel L1 zur Einhaltung einer vorgebbaren Flankensteilheit. Dies ist schematisch in 4 angedeutet.Preferably, a measuring device 2 used to detect the rise time or slope of the generated voltage pulses, the measured data of a digital control 1 supplies. The digital control monitors these rise times and controls the charging times of the storage inductor L1 to maintain a predeterminable slope. This is schematically in 4 indicated.

Diese 4 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung, mit der im Gegensatz zur Schaltungsanordnung der 1 unipolare Spannungspulse erzeugt werden. Bei dieser Ausgestaltung der Vorrichtung sind lediglich noch zwei Schaltelemente (IGBT1 und MOS2) erforderlich, um die unipolaren Spannungsimpulsfolgen mit einstellbarer Flankensteilheit erzeugen zu können. Die Speicherdrossel L1 ist auch hier innerhalb der Brückenschaltung angeordnet. Auch diese Ausgestaltung der Vorrichtung ermöglicht durch Steuerung bzw. Regelung der Anstiegszeit der Spannungsflanke eine eigenständige Anpassung des Vorschaltgerätes an eine kapazitive Last.These 4 shows a further example of an embodiment of the present device, which in contrast to the circuit arrangement of 1 unipolar voltage pulses are generated. In this embodiment of the device, only two switching elements (IGBT1 and MOS2) are required in order to generate the unipolar voltage pulse sequences with adjustable edge steepness. The storage inductor L1 is also arranged here within the bridge circuit. Also, this embodiment of the device allows by controlling or regulating the rise time of the voltage edge an independent adaptation of the ballast to a capacitive load.

Ein besonderer Vorteil dieser Ausgestaltung der Vorrichtung gegenüber der bipolaren Variante der 1 besteht im geringeren Bauteilaufwand und der kleineren Spannungszeitfläche, die an der Primärseite des Transformators TR anliegt. Somit ist für den Transformatorkern eine geringere Querschnittsfläche notwendig als bei der bipolaren Variante, wenn gewährleistet werden soll, dass der Transformatorkern nicht in Sättigung gerät. Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit, mit dem Schließen des Schalters MOS2 ein Rückzünden der Lampe auszulösen, falls die Spannung über der Gap-Kapazität (Cgap) nach dem ersten Zünden nicht zu stark abgefallen ist. Dies wird im vorliegenden Beispiel durch Schließen des Schalters ca. 1–3 μs nach dem ersten Zünden erreicht. Dadurch kann die auf den dielektrischen Kapazitäten gespeicherte Ladung auch für die Strahlungserzeugung genutzt werden.A particular advantage of this embodiment of the device over the bipolar variant of 1 consists in the lower component cost and the smaller voltage time surface, which rests on the primary side of the transformer TR. Thus, a smaller cross-sectional area is necessary for the transformer core than in the bipolar variant, if it is to be ensured that the transformer core does not saturate. Another advantage consists in the possibility of triggering a re-ignition of the lamp with the closing of the switch MOS2, if the voltage across the gap capacitance (Cgap) has not dropped too much after the first ignition. This is achieved in the present example by closing the switch about 1-3 microseconds after the first ignition. As a result, the charge stored on the dielectric capacitances can also be used for radiation generation.

5 zeigt wiederum die Brückenansteuersignale, die Spannung V_A und den Strom I_L1 über die Speicherdrossel L1. Über die Länge der mit den Schaltelementen IGBT1 und MOS2 steuerbaren Ladezeit der Speicherdrossel L1 kann die Anstiegsflanke der Spannung an der Last in weiten Bereichen unabhängig von der Größe der Kapazität der Last eingestellt oder geregelt werden. Auch hier sind selbstverständlich neben dem dargestellten IGBT1 auch andere Halbleiter-Schaltelemente, wie bspw. ein MOSFET, zur Steuerung der Ladezeit der Speicherdrossel L1 möglich. 5 again shows the Brückenansteuersignale, the voltage V _A and the current I _L1 via the storage inductor L1. Over the length of the charging time of the storage inductor L1, which can be controlled by the switching elements IGBT1 and MOS2, the rising edge of the voltage across the load can be adjusted or regulated over a wide range, regardless of the size of the capacity of the load. Again, other semiconductor switching elements, such as, for example, a MOSFET, for controlling the charging time of the storage inductor L1 are of course possible in addition to the illustrated IGBT1.

Für die Erfassung der Anstiegszeit der Lampenspannung mit der Messeinrichtung 2 kann eine direkte Messung unter Umständen die Kosten eines derartigen Vorschaltgerätes zu stark erhöhen. Daher wird gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung nicht die Anstiegszeit der Lampenspannung selbst, sondern deren maximale Ableitung (dU/dt)_max gemessen. Für eine ideale Trapezspannung gilt:

For the detection of the rise time of the lamp voltage with the measuring device 2 For example, a direct measurement may increase the cost of such a ballast too much. Therefore, according to an embodiment of the present device, not the rise time of the lamp voltage itself but its maximum derivative (dU / dt) _{max is} measured. For an ideal trapezoidal tension, the following applies:

Selbst wenn der Spannungsverlauf der Lampenspannung nicht als ideales Trapez angesehen werden kann, so lässt sich über die Erfassung der maximalen Spannungsanstiegszeit dennoch eine brauchbare Regelung realisieren. Die Erfassung der maximalen Steigung der Lampenspannung lässt sich schaltungstechnisch wesentlich einfacher realisieren als die Messung der Anstiegszeit selbst. Ein Beispiel für eine derartige Messschaltung ist in der 6 dargestellt. Parallel zur Lampe wird eine kleine Messkapazität C_mess geschaltet. Durch sie fließt ein Strom I_c, dessen Verlauf durch die Ableitung von U_a gegeben ist. Es gilt:

Even if the voltage curve of the lamp voltage can not be regarded as an ideal trapezoid, it is still possible to realize a useful control by detecting the maximum voltage rise time. The detection of the maximum slope of the lamp voltage can be implemented much easier circuitry than the measurement of the rise time itself. An example of such a measurement circuit is in the 6 shown. Parallel to the lamp a small measuring capacitance C _measured is switched. Through them flows a current I _c whose course is given by the derivative of U _a . The following applies:

Durch eine Strommessspule mit n Windungen wird dieser Strom abgegriffen. Durch sie fließt also I_c/n. Damit ist eine galvanische Trennung von der Lampenspannung erreicht. Ist dieser Strom im Umschaltzeitpunkt maximal, lädt er den Kondensator C₁ auf eine maximale Spannung auf. Danach übernimmt der Widerstand R₁ den weiteren Stromfluss. In der Zeit bis zur nächsten positiven Spannungsflanke entlädt sich C₁ langsam über die Widerstände R₁ und R₂. Tritt zu Beginn der neuen Periode erneut eine positive Spannungsflanke auf, wird C₁ erneut geladen. Dieser Prozess wiederholt sich periodisch. Im Kondensator C₁ wird dabei ein Spitzenwert gespeichert. Die Spannung an C₁ ist direkt abhängig vom maximalen dU_a/dt. Da sie während der gesamten Periode zur Verfügung steht und nur langsam abfällt ist eine Abtastung zeitlich unkritisch. Sie wird mit einem A/D-Wandler etwa 2 μs nach dem Aufladen gemessen und zur Berechnung der Stellgröße für die Regelung der Anstiegsflanke verwendet.By a current measuring coil with n turns this current is tapped. It therefore flows through I _c / n. This galvanic isolation of the lamp voltage is achieved. If this current is maximum at the switch-over time, it charges the capacitor C ₁ to a maximum voltage. Thereafter, the resistor R ₁ takes over the further current flow. In the time until the next positive voltage edge, C ₁ discharges slowly via the resistors R ₁ and R ₂ . If a positive voltage edge occurs again at the beginning of the new period, C _{1 is} reloaded. This process repeats periodically. In the capacitor C ₁ while a peak value is stored. The voltage at C ₁ is directly dependent on the maximum dU _a / dt. Since it is available during the entire period and drops only slowly, a scan is not critical in time. She will come with one A / D converter measured about 2 μs after charging and used to calculate the manipulated variable for the rising edge control.

Für die Regelung 1 selbst wird ein digitaler Signalprozessor (DSP) oder ein geeigneter Mikrocontroller, unter Umständen in Verbindung mit einer programmierbaren Logik, eingesetzt. Diese wird so programmiert, dass sie durch die Ansteuerung der als Schaltelemente eingesetzten Leistungshalbleiter auf die Geschwindigkeit der Anstiegsflanke regeln kann. Diese Regelung ist ausreichend, um Anstiegsflanken im Bereich zwischen 100 ns und 500 ns einzustellen. Auf diese Weise lässt sich eine automatische Anpassung des vorliegenden Vorschaltgerätes an unterschiedliche Lampentypen erreichen.For the scheme 1 itself is a digital signal processor (DSP) or a suitable microcontroller, possibly in conjunction with a programmable logic used. This is programmed so that it can control the speed of the rising edge by controlling the power semiconductors used as switching elements. This control is sufficient to set rising edges in the range between 100 ns and 500 ns. In this way, an automatic adaptation of the present ballast to different lamp types can be achieved.

Für die Dimensionierung der als gesteuerte Stromquelle betriebenen Speicherdrossel L1 sind folgende Zusammenhänge zu beachten. Um die Kapazität der Last umzuladen, steht bei der vorliegenden Vorrichtung nur die Energie in der Speicherdrossel zur Verfügung. Die maximale Kapazität, die mit einer Speicherdrossel umgeladen werden kann, wird aus der Energieerhaltung von Induktivität und Kapazität berechnet:

For the dimensioning of the operated as a controlled current source storage inductor L1, the following relationships are observed. In order to reload the capacity of the load, in the present device, only the energy in the storage choke is available. The maximum capacity that can be reloaded with a storage choke is calculated from the energy conservation of inductance and capacity:

Mit beispielhaften realistischen Werten von ΔU = 2 kV, I = 40A, L = 10 μH ergibt sich:

With exemplary realistic values of ΔU = 2 kV, I = 40A, L = 10 μH, the following results:

Die Energie, die in einer derzeit benutzten Speicherdrossel gespeichert werden kann reicht damit aus, um einen Kondensator mit 4nF Kapazität um ein ΔU von 2 kV umzuladen.The Energy stored in a currently used storage choke can be enough to make a capacitor with 4nF capacity by a ΔU of 2 kV tranship.

Auch wenn sich die vorliegende Beschreibung auf den Betrieb von dielektrisch behinderten Entladungslampen mit der vorgeschlagenen Vorrichtung befasst, so lässt sich diese Vorrichtung selbstverständlich auch für andere Lampentypen einsetzen, die eine entsprechende Ansteuerung benötigen. Ein Beispiel hierfür sind Laserdioden. Das Gleiche gilt für andere Lasten, die mit unipolaren oder bipolaren Spannungsimpulsfolgen betrieben werden müssen und bei denen eine adaptive Anpassung des Vorschaltegerätes an die jeweilige Lastimpedanz des Gerätes wünschenswert ist.Also when the present description refers to the operation of dielectric disabled discharge lamps with the proposed device deals, so lets Of course, this device also for others Use lamp types that require a corresponding control. One Example of this are Laser diodes. The same applies other loads associated with unipolar or bipolar voltage pulse sequences must be operated and in which an adaptive adaptation of the Vorschaltegerätes to the respective load impedance of the device desirable is.

Claims

Device for generating electrical voltage pulse sequences, in particular for the operation of capacitive discharge lamps, with at least two controllable switching elements for generating the voltage pulse trains from a voltage applied to an input DC voltage of a voltage source, characterized in that at least one operable via the switching elements as a controlled current source storage choke between the switching elements is arranged so that over a settable by the switching elements charging time of the storage inductor, the rise times of voltage pulses of the voltage pulse trains can be influenced at a coupled to the output of the device load, and that inverse diodes for feeding back unneeded Drosselelenergie the storage inductor with a plus or a negative pole of the voltage source connect.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the switching elements with a control ( 1 ), which connect the switching elements as a function of the measuring device ( 2 ) ascertained rise time to comply with a specifiable rise time.

Device according to claim 2, characterized in that the regulation ( 1 ) comprises a digital signal processor or a microcontroller in conjunction with programmable logic.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized that the switching elements for generating unipolar voltage pulse sequences are arranged.

Device according to one of claims 2-4, characterized in that the control ( 1 ) is designed such that it closes a switching element connecting the storage inductor to ground as soon as possible after a first ignition of a discharge lamp connected as a load such that a second ignition of the discharge lamp is triggered without further charging processes of the device.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that four switching elements before seen arranged to generate bipolar voltage pulse trains.

Device according to one of claims 1 to 6, characterized that the storage throttle over a the switching elements is connected directly to the voltage source.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized that the switching elements are transistors.

Use of the device according to one of claims 1 to 8 as an adaptive ballast for dielectric disabled discharge lamps.