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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer
eine Leuchtstofflampe aufweisenden Last mit dem Ziel, einen Zündvorgang
der Leuchtstofflampe zu optimieren.
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Zum
besseren Verständnis
der nachfolgend erläuterten
Erfindung wird anhand der
1 bis
3 zunächst der grundsätzliche
Aufbau eines zur Ansteuerung einer Leuchtstofflampe dienenden elektronischen
Vorschaltgeräts
(EVG) und dessen Funktionsweise erläutert. Ein solches Vorschaltgerät ist beispielsweise
in der
EP 1 066 739
B1 , der
US 6,617,805
B2 oder dem Datenblatt Nr. PD 601182-I betreffend den integrierten
Baustein IR2156(S) von International Rectifier, Kalifornien, USA,
beschrieben.
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Das
Vorschaltgerät
umfasst als wesentliche Schaltungsanordnung eine Halbbrücke mit
einem ersten Halbleiterschaltelement Q1 und einem zweiten Halbleiterschaltelement
Q2, deren Laststrecken in Reihe zwischen Klemmen K1, K2 geschaltet
sind, zwischen denen eine Gleichspannung Vb anliegt. Die Ansteuerung
dieser beiden Halbleiterschaltelemente S1, S2 erfolgt über eine
Ansteuerschaltung 20, die die beiden Halbleiterschaltelemente
S1, S2 jeweils getaktet ansteuert. Die beiden Halbleiterschalter
Q1, Q2 werden dabei abwechselnd zueinander angesteuert, um sicherzustellen,
dass die beiden Halbleiterschalter nie gleichzeitig leitend angesteuert
sind. Als Last ist an diese Halbbrückenschaltung ein Resonanzschwingkreis
mit einer Resonanzinduktivität
L1 und einem Resonanzkondensator C1 geschaltet, wobei parallel zu
dem Resonanzkondensator eine Leuchtstofflampe 10 geschaltet
ist. Ein weiterer Kondensator C2, der in Reihe zu der Resonanzinduktivität L1 und
vor die Parallelschaltung der Leuchtstofflampe 10 und des
Reso nanzkondensators C1 geschaltet ist, dient als Abblockkondensator,
der Gleichstromanteile abblockt.
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Parallel
zur Laststrecke des zweiten Halbleiterschaltelements Q2 liegt ein
Snubber-Kondensator C3, dessen Aufgabe es ist, einen Nullspannungsschaltbetrieb
(Zero Voltage Switching, ZVS) der beiden Halbleiterschaltelemente
Q1, Q2 zu ermöglichen.
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In
Reihe zu diesem Snubber-Kondensator C3 kann eine Zenerdiode Z4 geschaltet
sein, die zusammen mit einer Diode D4 und einem Kondensator C4 eine
Ladungspumpe bildet, die einen Teil der Spannungsversorgung der
Ansteuerschaltung 20 übernimmt.
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Um
in der Ansteuerschaltung 20 ein Ansteuerpotential zur Verfügung stellen
zu können,
das größer ist
als die an den Klemmen anliegende Gleichspannung Vb, ist eine Bootstrap-Schaltung mit einem Kondensator
C5, der zwischen den Ausgang K3 der Halbbrückenschaltung Q1, Q2 und einen
weiteren Eingang der Ansteuerschaltung 20 geschaltet ist, und
einer Diode D5, die zwischen diesen Kondensator und den Ladungspumpenkondensator
C4 geschaltet ist, vorhanden. Dieses hohe Ansteuerpotential wird
für die
Ansteuerung des als High-Side-Schalter dienenden ersten Halbleiterschaltelements
S1 benötigt.
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Die
Gleichspannung Vb, wird bei derartigen Vorschaltgeräten beispielsweise
durch eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung 30 (Power Factor Controller,
PFC) zur Verfügung
gestellt. Eine derartige PFC-Schaltung 30 ist hinlänglich bekannt
und in Figur lediglich aus Gründen
der Vollständigkeit
dargestellt. Die PFC-Schaltung umfasst einen Hochsetzsteller mit
einer Drossel 34, einem weiteren Halbleiterschalter Q30,
einer Diode D30 und mit einem Ausgangskondensator C30, der zwischen
die Klemmen K1, K2, an denen die Gleichspannung Vb zur Verfügung gestellt
wird, geschaltet ist. Die Eingangsspannung dieses Hochsetzstellers
liegt an einem Ausgang eines Brückengleichrichters 33 an,
der durch eine Wechselspannung Vn bei spielsweise eine Netzspannung
gespeist ist. Die Ansteuerung des Schalters Q30 der Leistungsfaktorkorrekturschaltung
kann ebenfalls durch die Ansteuerschaltung 20 erfolgen, der
zur Ansteuerung des Halbleiterschaltelements mehrere Signale zugeführt sind,
nämlich über einen Spannungsteiler
R32, R34 ein von der Gleichspannung Vb abhängiges Signal, über einen
in Reihe zu dem Halbleiterschaltelement Q30 geschalteten Strommesswiderstand
R33 ein Strommesswert und über
eine Hilfswicklung der Drossel 34 und einen weiteren Widerstand
R31 ein den Magnetisierungszustand der Drossel 34 anzeigendes
Signal.
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2 zeigt für einen
Betriebszustand nach Zünden
der Leuchtstofflampe den zeitlichen Verlauf der zwischen einer Ausgangsklemme
K3 und Bezugspotential GND anliegenden Ausgangsspannung V2 der Halbbrückenschaltung
Q1, Q2, des Stromes Iq2 durch das zweite Halbleiterschaltelement
Q2, des Stromes I1 in die an die Halbbrückenschaltung Q1, Q2 angeschlossene
Last, sowie der Ansteuersignale S1, S2 der Halbleiterschaltelemente
S1, S2.
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Die
Halbleiterschaltelemente Q1, Q2 werden hierbei über die Ansteuersignale S1,
S2 phasenverschoben jeweils für
Einschaltdauern Ton1, Ton2 leitend angesteuert, wobei die Ansteuerperioden
Tp der beiden Halbleiterschalter S1, S2 jeweils gleich sind. Die
Ansteuerung erfolgt derart, dass zwischen dem Ausschalten eines
der beiden Halbleiterschaltelemente und dem Einschalten des anderen
eine minimale Ausschaltzeit toff vorhanden ist. Die Einschaltdauern
Ton1, Ton2 sind normalerweise jeweils gleich lang, der Duty-Cycle,
also das Verhältnis
aus Einschaltdauer und Periodendauer beträgt beispielsweise etwa 45%.
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Bei
eingeschaltetem ersten Halbleiterschalter S1 und sperrendem zweiten
Halbleiterschalter S2 entspricht die Ausgangsspannung V2 der Halbbrückenschaltung
Q1, Q2 unter Vernachlässigung
des Einschaltwiderstandes des ersten Halbleiterschaltelements Q1
in etwa der zwischen den Klemmen K1, K2 anliegen den Gleichspannung
Vb. Aus dieser Spannung resultiert ein Lampenstrom I1, der entgegen
der in 1 eingezeichneten
Richtung fließt
und dessen Betrag mit zunehmender Einschaltdauer des ersten Halbleiterschaltelements
S1 zunimmt. Nach Abschalten des ersten Halbleiterschaltelements
S1 wird dieser Strom bedingt durch die Induktivität L1 des
Reihenschwingkreises L1, C1 zunächst
noch aufrechterhalten und entlädt
dadurch den parallel zu dem zweiten Halbleiterschaltelement Q2 geschalteten
Snubber-Kondensator C3, wodurch die Spannung über der Laststrecke dieses
zweiten Halbleiterschaltelements Q2 zu Null wird. Nach Entladung
dieses Kondensators C3 übernimmt
die Body-Diode des als n-Kanal-MOSFET ausgebildeten zweiten Halbleiterschaltelements
Q2 den Lampenstrom I1. Dieser Lampenstrom I1 ändert im zeitlichen Verlauf
nach Einschalten des zweiten Halbleiterschaltelements S2 seine Polarität und fließt vor Sperren
des zweiten Halbleiterschaltelements S2 in der in 1 eingezeichneten Richtung. Nach dem
Sperren des zweiten Halbleiterschaltelements Q2 wird der Snubber-Kondensator
C3 über
den durch die Induktivität
L1 fließenden
Strom auf den Wert der Gleichspannung Vb aufgeladen, wobei ein weiterer
Spannungsanstieg durch eine integrierte Body-Diode des als n-Kanal-MOSFET
ausgebildeten ersten Halbleiterschaltelements begrenzt wird. Das
erste Halbleiterschaltelement Q1 wird dabei erst eingeschaltet,
nachdem die Spannung an dem Ausgang K3 auf den Wert der Gleichspannung
Vb angestiegen ist, und die Spannung über der Laststrecke des ersten
Halbleiterschaltelements Q1 somit Null ist.
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Der
Snubber-Kondensator C3 bewirkt zusammenfassend, dass das erste und
zweite Halbleiterschaltelement Q1, Q2 spannungslos geschaltet werden
können,
dass diese Halbleiterschaltelemente Q1, Q2 also dann eingeschaltet
werden, wenn die Spannung über
deren Laststrecke gleich Null ist.
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Bevor
die Leuchtstofflampe in den in 2 erläuterten
Betriebszustand übergeht,
muss ein Zünden
der Leuchtstofflampe erfolgen.
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Bezugnehmend
auf 3 wird die Leuchtstofflampe
hierfür
während
einer Vorheizdauer Th zunächst
vorgeheizt, indem die Halbbrückenschaltung Q1,
Q2 bei einer "Vorheizfrequenz" fph getaktet angesteuert
wird. Hieraus resultiert bezugnehmend auf 2 an dem Ausgang K3 der Halbbrückenschaltung
Q1, Q2 eine wenigstens annäherungsweise rechteckförmige Spannung
mit dieser Vorheizfrequenz. Während
der Vorheizphase stellt sich über der
Leuchtstofflampe 10 eine Vorheizspannung V10h ein, die
zu gering ist, um ein Zünden
der Leuchtstofflampe 10 zu bewirken, die jedoch dafür sorgt,
dass die Elektroden 11, 12 (vgl. 1) der Leuchtstofflampe 10 auf
eine Emissionstemperatur aufgeheizt werden.
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Nach
Abschluss dieser Vorheizdauer Th wird die Betriebsfrequenz ausgehend
von der Vorheizfrequenz fph stetig reduziert, wodurch die Lampenspannung
V10 ansteigt, bis die Lampenspannung V10 zu einem Zündzeitpunkt
ti den Wert einer Zündspannung
V10ign erreicht und die Leuchtstofflampe 10 zündet. Nach
dem Zünden
verhält
sich die Leuchtstofflampe 10 elektrisch im wesentlichen
wie ein ohmscher Widerstand, wodurch die Lampenspannung V10 nach
dem Zünden
auf einen. niedrigeren Wert V10run absinkt, die im weiteren durch
eine Normalbetriebsfrequenz fr für
aufrechterhalten wird. Dieser Normalbetriebszustand entspricht dem
anhand von 2 bereits
erläuterten
Betriebszustand der Leuchtstofflampe.
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Während der
Zündphase
können
unter Umständen
sehr hohe Ströme
und sehr hohe Spannungen auftreten, die zu einer Zerstörung des
Vorschaltgeräts
führen
können.
Bei dem aus dem Datenblatt PD60182-I, aaO. bekannten Vorschaltgerät ist deshalb
vorgesehen, den Strom durch den Low-Side-Schalter der Halbbrückenschaltung
zu überwachen
und die Halbbrückenschaltung
für eine
vorgegebene Zeitdauer abzuschalten, wenn dieser Strom einen vorgegebenen
Grenzwert überschreitet,
bevor eine erneute Vorheizphase und ein erneuter Zündversuch
unternommen wird.
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Schwierig
ist bei diesem Verfahren insbesondere die Einstellung des Abschaltpegels.
Wird dieser Abschaltpegel zu niedrig gewählt, so kann es vorkommen,
dass Zündvorgänge häufig abgebrochen werden,
obwohl die Lampe bereits bei einer etwas größeren Spannung zünden würde. Wird
dieser Abschaltpegel zu hoch gewählt,
besteht die Gefahr einer Beschädigung
für das
Vorschaltgerät.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Ansteuerung
einer eine Leuchtstofflampe aufweisenden Last zur Verfügung zu
stellen, bei dem ein Zündvorgang
der Leuchtstofflampe optimiert ist.
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Dieses
Ziel wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Ansteuerung einer eine Leuchtstofflampe aufweisenden Last sieht
zum Zünden
der Leuchtstofflampe folgende Verfahrensschritte vor:
- a) zu Beginn einer Zünddauer
Absenken der Betriebsfrequenz einer die Last versorgenden Versorgungsspannung
ausgehend von einer am Ende einer Vorheizphase vorhandenen ersten
Betriebsfrequenz um eine vorgegebene Frequenzstufe,
- b) Überwachen
wenigstens eines Zündsignals,
- c) Erhöhen
der Betriebsfrequenz, wenn das Zündsignal
einen vorgegebenen ersten Grenzwert übersteigt,
- d) weiteres Absenken der Betriebsfrequenz um eine vorgegebene
Frequenzstufe, wenn das Zündsignal
den vorgegebenen ersten Grenzwert nach Ablauf einer Verzögerungsdauer
nach einer vorherigen Änderung
der Betriebsfrequenz nicht übersteigt,
- e) Wiederholen der Verfahrensschritte b) bis d) bis eine vorgegebene
zweite Betriebsfrequenz erreicht ist oder bis eine maximale Zünddauer
erreicht ist.
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Das
wenigstens eine Zündsignal
ist ein Signal, dem eine Information über den Zündzustand der Leuchtstofflampe
entnommen werden kann. Diese Zündsignal
ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
beispielsweise eine über
der Leuchtstofflampe anliegende Spannung bzw. ein von dieser Spannung abhängiges Signal,
insbesondere der Maximalwert der Amplitude dieser Spannung oder
ein dazu proportionales Signal. Darüber hinaus kann das Zündsignal
auch ein Strom durch einen Schalter einer Halbbrückenschaltung oder ein von
diesem Strom abhängiges
Signal, insbesondere der Maximalwert der Amplitude dieses Signals
sein.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
lassen sich grundsätzlich
drei unterschiedliche Szenarien für den Zündverlauf unterscheiden:
- – Ein "normaler Zündverlauf" bei dem das Zündsignal
den ersten Grenzwert nie übersteigt,
und die Betriebsfrequenz ausgehend von der ersten Betriebsfrequenz
stufenweise stets abgesenkt wird, bis die zweite Betriebsfrequenz
erreicht ist. Während
des stufenweisen Absenkens der Betriebsfrequenz erfolgt hierbei
eine Zündung
der Leuchtstofflampe, wodurch das Zündsignal auf einen Wert absinkt,
der deutlich unterhalb des ersten Grenzwertes liegt.
- – Ein "zeitweise gestörter Zündverlauf", bei dem während des
stufenweisen Absenkens der Betriebsfrequenz das Zündsignal
den ersten Grenzwert übersteigt,
wodurch die Betriebsfrequenz vorrübergehend wieder angehoben
wird, bei dem die Leuchtstofflampe jedoch noch innerhalb der maximalen
Zünddauer
zündet
und die Betriebsfrequenz noch innerhalb dieser maximalen Zünddauer
stufenweise auf den Wert der zweiten Betriebsfrequenz abgesenkt
wird.
- – Ein "permanent gestörter Zündverlauf", bei dem die Betriebsfrequenz
innerhalb der maximalen Zünddauer
nicht auf den zweiten Betriebsfrequenzwert abgesenkt werden kann,
weil der Betrag des Zündsignals
den ersten Grenzwert bei Absenken der Betriebsfrequenz immer wieder übersteigt.
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Die
besonderen Vorteile des vorliegenden Verfahrens werden anhand des
oben erläuterten temporär gestörten Zündverlaufes
deutlich. Das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
es, die Spannung über
der Leuchtstofflampe für
eine längere
Zeitdauer, die kürzer
als die maximale Zünddauer
ist, auf einem vergleichsweise hohen Pegel zu halten, bis eine zunächst "zündunwillige" Leuchtstofflampe doch noch zündet. Eine
solche anfängliche "Zündunwilligkeit" kann beispielsweise
daraus resultieren, dass die Leuchtstofflampe während der der Zündphase
vorangegangenen Vorheizphase nicht auf eine ausreichend hohe Emissionstemperatur
der Elektroden aufgeheizt wurde, wofür beispielsweise sehr niedrige Umgebungstemperaturen
ursächlich
sein können.
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Vorteilhafterweise
wird das Zündsignal
zusätzlich
mit einem zweiten Grenzwert verglichen, der höher als der erste Grenzwert
liegt, wobei die Ansteuerung der Last vollständig unterbrochen wird, wenn
das wenigstens eine Zündsignal
diesen zweiten Grenzwert übersteigt.
Hierdurch ist sichergestellt, dass die Ansteuerung der Last sofort
unterbrochen wird, wenn beispielsweise im Normalbetrieb bei einer Betriebsfrequenz
in der Nähe
der Resonanzfrequenz die Lampe plötzlich entfernt wird und damit
die Dämpfung
des Schwingkreises durch die Lampenlast entfällt, wodurch die Spannung an
der Lampenfassung in wenigen Schwingungen stark ansteigt.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
bei dem die Betriebsfrequenz während
der Zünddauer stufenweise
abgesenkt wird, können
jeweils gleiche Frequenzschritte für das stufenweise Absenken
vorgesehen werden, so dass die Betriebsfrequenz mit jedem Absenkungsschritt
um einen gleichen Frequenzwert verringert wird. Die Amplitude des
Frequenzschrittes beim Erhöhen
der Betriebsfrequenz, nachdem das überwachte Zündsignal den ersten Grenzwert überstiegen
hat, kann dabei der Höhe
des Frequenzschrittes beim Absenken entsprechen. Die Amplitude des
Frequenzschrittes beim Erhöhen
kann jedoch auch unterschiedlich zur Amplitude des Frequenzschrittes
beim Absenken der Betriebsfrequenz gewählt werden. Vorzugsweise ist
der Frequenzschritt beim Erhöhen
der Betriebsfrequenz etwas größer als
der Frequenzschritt beim vorherigen Absenken, um nach dem Erhöhen der
Betriebsfrequenz zu erreichen, dass das überwachte Zündsignal bzw. die Leuchtenspannung
sicher unter den ersten Grenzwert absinkt.
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Selbstverständlich besteht
auch die Möglichkeit,
die Amplitude der Frequenzschritte variabel zu gestalten und insbesondere
abhängig
vom Absolutwert der Betriebsfrequenz zu wählen. So besteht die Möglichkeit,
zu Beginn der Zünddauer,
wenn die Betriebsfrequenz noch einen vergleichsweise hohen Wert
besitzt, die Frequenzschritte höher
zu wählen als
bei kleineren Betriebsfrequenzen, wenn bereits eine Absenkung der
Betriebsfrequenz erfolgt ist. Die Amplitude der Frequenzschritte
kann insbesondere proportional zum Momentanwert der Betriebsfrequenz
gewählt
werden, der zu einem Zeitpunkt unmittelbar vor Durchführen eines
nächsten Änderungsschrittes
vorliegt.
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Die
maximale Zünddauer,
nach der die Ansteuerung der Last unterbrochen wird, wenn die Betriebsfrequenz
bis dahin nicht auf den zweiten Betriebsfrequenzwert abgesunken
ist, wird abhängig von
der jeweiligen Last und den gewählten
Betriebsfrequenzwerten zwischen 0,1 Sekunde und 1 Sekunde gewählt.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren
näher erläutert:
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1 zeigt
eine Ansteuerschaltung für
eine eine Leuchtstofflampe aufweisenden Last nach dem Stand der
Technik.
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2 veranschaulicht
die Funktionsweise der Ansteuerschaltung nach 1 für eine Betriebsphase
nach Zünden
der Leuchtstofflampe anhand ausgewählter in der Ansteuerschaltung
vorkommender Signale der Schaltung nach 1.
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3 veranschaulicht
das Vorgehen zur Zündung
der Leuchtstofflampe anhand zeitlicher Verläufe einer Betriebsfrequenz
der Ansteuerschaltung und einer Spannung über der Leuchtstofflampe.
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4 veranschaulicht
ausschnittsweise eine Ansteuerschaltung für eine eine Leuchtstofflampe aufweisende
Last, wobei die Ansteuerschaltung Mittel zur Bereitstellung von
Zündsignalen
aufweist.
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5 veranschaulicht
den zeitlichen Verlauf einer Spannung über der Leuchtstofflampe für eine Betriebsphase
vor Zünden
der Leuchtstofflampe und eine Betriebsphase nach Zünden der
Leuchtstofflampe.
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6 veranschaulicht
das erfindungsgemäße Verfahren
anhand eines ersten Zündszenarios, bei
dem eine Leuchtstofflampe ordnungsgemäß zündet.
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7 veranschaulicht
das erfindungsgemäße Verfahren
anhand eines zweiten Zündszenarios, bei
dem eine zunächst
zündunwillige
Leuchtstofflampe noch innerhalb einer Zünddauer zündet.
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8 veranschaulicht
das erfindungsgemäße Verfahren
anhand eines dritten Zündszenarios, bei
dem eine Leuchtstofflampe innerhalb einer maximalen Zünddauer
nicht zündet.
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9 veranschaulicht
den Verlauf der Betriebsfrequenz und der Spannung über der
Leuchtstofflampe ab Beginn einer Ansteuerung bis zum Übergang
in einen Normalbetriebszustand nach Zünden der Leuchtstofflampe.
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10 veranschaulicht
eine weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
anhand des dritten Zündszenarios.
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In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleiche Teile und Signale mit gleicher Bedeutung.
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Wesentlich
für das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Ansteuerung einer eine Leuchtstofflampe aufweisenden Last ist
die Überwachung
wenigstens eines Zündsignals,
also eines Signals, das sich mit Zünden der Leuchtstofflampe ändert und
das somit eine Information über
den Zündstatus
der Leuchtstofflampe enthält.
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Die
Erzeugung zweier unterschiedlicher solcher Zündsignale IGN1 IGN2 wird nachfolgend
anhand von 4 kurz erläutert. 4 zeigt
einen Teil einer Ansteuerschaltung für eine eine Leuchtstofflampe 10 aufweisenden
Last. Diese Ansteuerschaltung entspricht weitgehend der eingangs
anhand von 1 erläuterten Ansteuerschaltung,
wobei entsprechende Bauteile und Signale mit entsprechenden Bezugszeichen
bezeichnet sind. Bezüglich
des grundsätzlichen
Aufbaus dieser Ansteuerschaltung mit einer Halbbrückenschaltung
Q1, Q2 und einer an die Halbbrückenschaltung
Q1, Q2 angeschlossenen Last, die einen Reihenschwingkreis L1, C1
und eine Leuchtstofflampe 10 aufweist, wird auf die Ausführungen
zu 1 verwiesen.
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Zur
Erzeugung eines ersten Zündsignals IGN1
umfasst die Ansteuerschaltung einen Spannungsteiler R1, R2, der
zwischen Anschlüsse 11, 12 der
Leuchtstofflampe 10 geschaltet ist, wobei das Zündsignal
IGN1 an einem Mittenabgriff dieses Spannungsteilers R1, R2 abgreifbar
ist. Das erste Zündsignal
IGN1 ist ein Spannungssignal, das gegen Bezugspotential GND anliegt.
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Zur
Bereitstellung eines zweiten Zündsignals IGN2
weist die Ansteuerschaltung einen Strommesswiderstand R3 auf, der
in zu dem zweiten Halbleiterschaltelement Q2 geschaltet ist und
dessen einer Anschluss an Bezugspotential GND liegt. Das zweite Zündsignal
IGN2 ist ebenfalls ein Spannungssignal, das gegen Bezugspotential
GND anliegt.
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Das
erste Zündsignal
IGN1 ist proportional zu der Spannung V10 über der Leuchtstofflampe und ist
damit sowohl vor als auch nach Zünden
der Leuchtstofflampe ein periodisches, um einen Mittelwert schwankendes
Signal, wie nachfolgend anhand von 5 erläutert ist.
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5 veranschaulicht
den zeitlichen Verlauf der Spannung V10 über der Leuchtstofflampe für einen
Betriebszustand vor Zünden
der Leuchtstofflampe und einen Betriebszustand nach Zünden der Leuchtstofflampe,
wobei dieser zeitliche Verlauf qualitativ dem zeitlichen Verlauf
des ersten Zündsignals IGN1
entspricht. Die Kurve für
den Spannungsverlauf vor Zünden
der Leuchtstofflampe ist dabei mit V10i bezeichnet, und die Kurve
für den
zeitlichen Verlauf der Spannung nach Zünden der Leuchtstofflampe ist mit
V10r bezeichnet.
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Der
Spannungsverlauf V10r nach Zünden der
Leuchtstofflampe gleicht dem Verlauf des anhand von 2 erläuterten
Lampenstromes, woraus deutlich wird, dass sich die Leuchtstofflampe
nach dem Zünden
im Wesentlichen wie ein Ohmscher Widerstand verhält. Die Frequenz, mit der die
Lampenspannung V10r nach dem Zünden
variiert entspricht der Betriebsfrequenz, mit der die beiden Transistoren Q1,
Q2 der Halbbrückenschaltung
angesteuert werden.
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Vor
dem Zünden
der Leuchtstofflampe liegt ein sinusförmiger Spannungsverlauf V10i
vor, dessen Frequenz der Betriebsfrequenz entspricht, mit der die
beiden Halbleiterschaltelemente Q1, Q2 angesteuert sind. Zur Vereinfachung
der Darstellung ist in 5 für die zeitlichen Verläufe der
Lampenspannung vor dem Zünden
der Leuchtstofflampe und nach dem Zünden der Leuchtstofflampe jeweils
dieselbe Frequenz gewählt.
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Kritisch
für die
Ansteuerschaltung sind vor Zünden
der Leuchtstofflampe insbesondere die Spannungsspitzen dieser sinusförmigen Lampenspannung
V10i. Mit +V1 bzw. –V1
sind in 5 symmetrisch zum Nullpunkt
liegende erste Grenzwerte bezeichnet, die so gewählt sind, dass die Gefahr einer
Beschädigung
der Ansteuerschaltung besteht, wenn die in dem Beispiel auf den
Nullpunkt bezogenen Maximalwerte der Lampenspannung V10i für einen
längeren
Zeitraum diese ersten Grenzwerte immer wieder erreichen.
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In 5 sind
des Weiteren zweite Grenzwerte +V2, –V2 eingezeichnet, die so gewählt sind,
dass die unmittelbare Gefahr einer Beschädigung der Ansteuerschaltung
besteht, wenn die Maximalwerte der Lampenspannung V10i diese zweiten
Grenzwerte V2 erreichen.
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Um
ein Erreichen der ersten oder zweiten Grenzwerte durch die Leuchtenspannung
V10 zu überwachen
könnten
die zuvor erläuterten
Zündsignale
IGN1, IGN2 unmittelbar verwendet werden, indem erste und zweite
Zündsignalgrenzwerte
erzeugt werden, die proportional sind zu den ersten und zweiten
Grenzwerten +V1, –V1,
+V2, –V2
gemäß 5, wobei
die Proportionalitätsfaktoren
so gewählt
sind, dass sie den Proportionalitätsfaktoren zwischen der Leuchtenspannung
V10 und dem ersten bzw. zweiten Zündsignal entsprechen. Während der
positiven Halbwellen des jeweils betrachteten Zündsignals wird das Zündsig nal
dann mit dem jeweiligen positiven Grenzwert und während der
negativen Halbwelle mit dem jeweiligen negativen Grenzwert verglichen.
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Darüber hinaus
besteht auch die Möglichkeit als
Zündsignale
die Beträge
der anhand von 4 erläuterten Signale IGN1, IGN2
zu verwenden, was den Vorteil besitzt, dass diese Signale nur mit
jeweils einem (positiven) Amplitudenwert verglichen werden müssen, um
zu ermitteln, ob die Amplitude der Leuchtenspannung einen ersten
oder zweiten kritischen Wert übersteigt.
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Vorteilhafte
werden als Zündsignale
die Beträge
der Maximalwerte der anhand von 4 erläuterten
Signale verwendet. Solche Maximalwertsignale können aus den vor Zünden der
Leuchtstofflampe sinusförmigen
Zündsignalen
IGN1, IGN2 in hinlänglich
bekannter Weise durch eine Schaltung erzeugt werden, die den Betrag
der Zündsignale
IGN1, IGN2 bildet und den Maximalwert dieses Signals ermittelt. Der
Spitzenwert des Stromes Iq2 durch den Low-Side-Schalter Q2 ist proportional
zum Spitzenwert der Lampenspannung V10i wodurch ein auf diese Weise erzeugtes
Zündsignal
proportional zu dem Spitzenwert der Lampenspannung ist, während der
zeitliche Verlauf dieses Transistorstromes Iq2 phasenverschoben
gegenüber
dem zeitlichen Verlauf der Lampenspannung V10i.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Ansteuerung der die Leuchtstofflampe 10 aufweisenden Last
unter Verwendung eines Zündsignals,
beispielsweise eines der Zündsignale
IGN1, IGN2 nach 4 wird für ein erstes Zündszenario,
bei dem die Leuchtstofflampe ordnungsgemäß zündet, anhand von 6 erläutert. Verwendet
wird als Zündsignal
hierbei insbesondere der Maximalwert der Amplitude eines dieser
Signale, der in den nachfolgenden Figuren mit IGNmax bezeichnet
ist.
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6a zeigt dabei den zeitlichen Verlauf
der Betriebsfrequenz fp, mit der die Halbleiterschaltelemente Q1,
Q2 der Halbbrückenschaltung
angesteuert werden, und 6b zeigt den
zeitlichen Verlauf des Zündsignals,
das insbesondere proportional ist zum Maximalwert der Lampenspannung
V10.
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Bei
der erfindungsgemäßen Verfahren
ist bezugnehmend auf 6a vorgesehen,
die Betriebsfrequenz fp von einem Ausgangsfrequenzwert fph, der
beispielsweise der Betriebsfrequenz beim Vorheizen entspricht, zu
Beginn einer Zündperiode
ti stufenweise abzusenken. Die Absenkung erfolgt in dem Beispiel
in jeweils gleichen Frequenzstufen bzw. Frequenzschritten Δf1. Das Zündsignal
IGNmax, das in dem Beispiel proportional zu dem Maximalwert der Leuchtenspannung
V10 ist, steigt mit jeder Absenkung der Betriebsfrequenz fp zunächst an,
bis die Leuchtstofflampe zu einem Zeitpunkt ti zündet und die Leuchtenspannung,
und somit auch das Zündsignal
IGNmax wieder absinkt. Das Verfahren sieht vor, das Zündsignal
permanent zu überwachen
und mit einem ersten Grenzwert V1' zu vergleichen, der von dem zuvor anhand
von 5 erläuterten
Grenzwert V1 abhängig
ist bzw. proportional zu diesem Grenzwert ist. Bei dem Verfahren
erfolgt ein Absenken der Betriebsfrequenz fp nur dann, wenn innerhalb
einer Verzögerungsdauer
Td nach einer Änderung
der Betriebsfrequenz das Zündsignal
IGNmax den ersten Grenzwert V1' nicht
erreicht oder übersteigt.
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Bei
dem anhand der 6a und 6b dargestellten
Zündszenario,
bei dem das Zündsignal
IGNmax den ersten Grenzwert V1' nie
erreicht, wird die Frequenz somit in regelmäßigen, durch die Verzögerungsdauer
Td vorgegebenen Zeitabständen
jeweils um den Frequenzschritt Δf1
abgesenkt, bis die Betriebsfrequenz einen zweiten Betriebsfrequenzwert
fr erreicht, der der Betriebsfrequenz für den Normalbetrieb der Leuchtstofflampe
nach der Zündung
entspricht.
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Wenngleich
in dem Beispiel gemäß 6a die Frequenzschritte Δf1 bei der
stufenweisen Absenkung der Betriebsfrequenz fp jeweils gleich groß gewählt sind,
besteht selbstverständ lich
auch die Möglichkeit,
diese Frequenzschritte in ihrer Höhe zu variieren, und insbesondere
abhängig
vom Momentanwert der Betriebsfrequenz fp vor der jeweiligen Frequenzabsenkung
zu machen. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, die Höhe der Frequenzschritte
proportional zum Momentanwert der Betriebsfrequenz fp zu wählen, so
dass bei einer anfänglich
noch hohen Betriebsfrequenz fp größere Frequenzschritte als bei
einem weiteren Verlauf kleineren Betriebsfrequenz fp vorgenommen
werden.
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Die
besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich
bei der Ansteuerung einer zunächst
zündunwilligen
Leuchtstofflampe. Ein Zündszenario
einer solchen Leuchtstofflampe wird nachfolgend anhand der 7a und 7b erläutert.
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Bei
dem in diesem Figuren dargestellten Zündszenario erreicht das Zündsignal
IGNmax nach einem stufenweisen Absenken der Betriebsfrequenz fp
jeweils um Frequenzschritte Δf1
zu einem Zeitpunkt t1 den ersten Grenzwert V1'. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht nun vor,
die Betriebsfrequenz sofort um einen vorgegebenen zweiten Frequenzschritt Δf2 anzuheben,
wenn das Zündsignal IGNmax
den ersten Grenzwert V1' erreicht.
Die Höhe dieses
zweiten Frequenzschrittes Δf2
ist in dem Ausführungsbeispiel
gleich der Höhe
des ersten Frequenzschrittes Δf1
gewählt,
kann jedoch auch verschieden zu dem ersten Frequenzschritt Δf1, insbesondere
größer als
der erste Frequenzschritt Δf1
gewählt
werden. Das Zündsignal
IGNmax sinkt infolge der Anhebung der Betriebsfrequenz fp wieder
unter den ersten Grenzwert V1' ab,
wodurch die Betriebsfrequenz fp nach Ablauf der Verzögerungsdauer
Td nach der letzten Änderung
der Betriebsfrequenz, nämlich
dem Anheben der Betriebsfrequenz um den zweiten Frequenzschritt Δf2, wieder
um den ersten Frequenzschritt Δf1
abgesenkt wird. Das Zündsignal IGNmax
steigt daraufhin erneut an, da ein Zünden der Leuchtstofflampe noch
nicht erfolgt ist, um zu einem Zeitpunkt t2 erneut den ersten Grenzwert
V1' zu erreichen.
Die Betriebsfrequenz fp wird daraufhin zu diesem Zeitpunkt t2 wieder
um den zweiten Frequenzschritt Δf2
angehoben, woraufhin die Spannung über der Leuchtstofflampe und
damit das Zündsignal
IGNmax wieder unter den wert des ersten Grenzwertes V1' absinkt. Ein Zünden der
Leuchtstofflampe erfolgt in dem Beispiel zu einem Zeitpunkt ti noch
während
sich die Betriebsfrequenz fp auf dem höheren Niveau befindet. Da das
Zündsignal
IGNmax im weiteren Verlauf den ersten Grenzwert V1' nicht mehr erreicht,
wird die Betriebsfrequenz im weiteren stufenweise jeweils um den
ersten Frequenzschritt Δf1
schrittweise abgesenkt, bis der zweite Betriebsfrequenzwert fr erreicht
ist. Diese zweite Betriebsfrequenz fr wird dabei noch erreicht,
bevor das Ende der vorgegebenen Zündperiode ti erreicht ist.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann die Leuchtenspannung somit für eine vorgegebene Zeit auf
einem vergleichsweise hohen Pegel gehalten werden, der so gewählt ist,
dass bei temporärem Vorliegen
einer solchen Spannungsbelastung keine Gefahr einer Beschädigung einer
Steuerschaltung besteht. Anstelle die Ansteuerung sofort zu unterbinden,
wenn die Leuchtenspannung einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt
bzw. wenn das Zündsignal den
ersten Grenzwert V1' erreicht,
wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
die Betriebsfrequenz während
der Zündperiode
stufenweise variiert, um die Lampenspannung bei einer zunächst zündunwilligen Lampe
auf einem durch den ersten Grenzwert V1' vorgegebenen vergleichsweise hohen
Wert zu halten, um doch noch ein Zünden der Leuchte zu bewirken.
Ein Anheben der Betriebsspannung erfolgt dabei unmittelbar dann,
wenn das Zündsignal
IGNmax den ersten Grenzwert V1' erreicht,
ein weiteres stufenweises Absenken der Betriebsfrequenz fp erfolgt nur
dann, wenn das Zündsignale
IGNmax innerhalb einer Verzögerungsdauer
Td nach der letzten Änderung
der Betriebsfrequenz den ersten Grenzwert V1' nicht erreicht.
-
Die
Verzögerungsdauer
Td ist vorzugsweise so gewählt,
dass innerhalb dieser Verzögerungsdauer
der in Reihe zu der Leuchtstofflampe 10 geschaltete Resonanzschwingkreis
mit der Resonanzspule L1 und dem Resonanzkondensator C1 einschwingen kann.
Die Verzögerungsdauer
beträgt
somit vorzugsweise wenigstens eine Periodendauer dieses Schwingkreises.
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In 7 nicht
dargestellt ist der Fall, bei dem das Zündsignal IGN nach Erhöhung der
Frequenz fp und Abwarten der Wartedauer Td immer noch oberhalb des
ersten Grenzwertes V1' liegt.
In diesem Fall wird die Frequenz fp erneut um einen Frequenzschritt Δf2 angehoben,
wobei nach Ablauf einer weiteren Verzögerungsdauer Td eine erneute
Auswertung vorgenommen wird, um die Frequenz weiter anzuheben oder
abzusenken.
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In
den 8a und 8b ist
ein Zündszenario für eine Leuchtstofflampe
veranschaulicht, die innerhalb der Zündperiode Ti nicht zündet, obwohl
die Lampenspannung bedingt durch das abwechselnde Absenken und Anheben
der Betriebsfrequenz für eine
längeren
Zeitraum auf einem hohen Spannungspegel gehalten wird. Um eine Überlastung
der Ansteuerschaltung zu verhindern ist bei dem Verfahren deshalb
vorgesehen, die Ansteuerung der Last mit der Leuchtstofflampe nach
Ablauf der Zünddauer Ti
zu beenden, wenn die Betriebsfrequenz fp innerhalb dieser Zünddauer
Ti nicht bis auf den zweiten Betriebsfrequenzwert Fr abgesenkt werden
kann. Die Ansteuerung der Last wird in dem Beispiel dadurch unterbunden,
dass die Ansteuerung der beiden Schalter Q1, Q2 ausgesetzt wird,
wodurch beide Schalter Q1, Q2 sperren.
-
10 veranschaulicht
ein weiteres Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei
diesem Verfahren wird während
der Zündperiode jeweils
periodisch in regelmäßigen Zeitintervallen
Td, die mindestens mehrere Perioden der Betriebsfrequenz fp auseinander
liegen, entschieden, ob die Betriebsfrequenz fp um einen ersten
Frequenzschritt Δf1
verringert oder um einen zweiten Frequenzschritt Δf2 erhöht wird.
Der erste und zweite Frequenzschritt sind dabei vorzugsweise gleich.
-
Für die Entscheidung,
ob die Frequenz fp abgesenkt oder erhöht wird, wird ermittelt, ob
das Zündsignal
IGN während
eines dem Entscheidungszeitpunkt vorhergehenden Intervalls Ta den
ersten Grenzwert wenigstens einmal überschritten hat. Die Zeitdauer
dieses Intervalls Ta ist dabei vorzugsweise kürzer als die Dauer des Zeitintervalls
bzw. der Verzögerungsdauer
Td. Die Dauer des Zeitintervalls Td ist vorzugsweise so bemessen,
dass während
der Zeit beginnend mit dem Zeitpunkt der Frequenzänderung
um einen Frequenzschritt Δf1
bzw. Δf2
bis zum Beginn des Zeitintervalls Ta die Schwingungsamplitude des
Resonanzschwingkreises sich auf die geänderte Frequenz einstellt.
Wenn das Zündsignal
IGN während
dieses Auswerte-Intervalls
Ta den ersten Grenzwert wenigstens einmal überschritten hat, wird die
Betriebsfrequenz angehoben, was in 10 zu den
Zeitpunkten t4 und t6 erfolgt. Wenn das Zündsignal IGN während dieses
Intervalls Ta den ersten Grenzwert hingegen nicht überschritten
hat, wird die Betriebsfrequenz abgesenkt, was in 10 beispielsweise
zu den Zeitpunkten t3 und t5 dargestellt ist.
-
Zusammenfassend
sieht das erfindungsgemäße Verfahren
bezugnehmend auf die 6 bis 8 vor, die
Betriebsfrequenz fp ausgehend von einem Anfangswert stufenweise
abzusenken, dabei das Zündsignal
zu überwachen
und die Betriebsfrequenz nach einer erfolgten Änderung nur dann um eine weitere
Frequenzstufe abzusenken, wenn innerhalb eines Zeitintervalls Ta
das überwachte
Zündsignal
einen ersten Grenzwert V1' nicht
erreicht. Erreicht das Zündsignal
IGNmax den ersten Grenzwert V1' so wird
die Betriebsfrequenz unmittelbar um einen Frequenzschritt Δf2 oder am
Ende der Verzögerungszeit Td
angehoben, um ein weiteres Ansteigen der zu dem Zündsignal
in Beziehung stehenden Leuchtenspannung zu verhindern.
-
Vorzugsweise
erfolgt bei dem Verfahren auch ein Vergleich des Zündsignals
IGNmax mit einem zweiten Grenzwert V2', wobei die Ansteuerung der Last sofort
unterbrochen wird, wenn das Zündsignal
IGNmax diesen zweiten Grenzwert V2' erreicht. Dieser zweite Grenzwert ist
so gewählt,
dass er beispielweise dann erreicht wird, wenn keine Leuchtstofflampe
vorhanden ist bzw. wenn diese beschädigt ist.
-
Bei
dem Verfahren besteht insbesondere die Möglichkeit, ein erstes und ein
zweites Zündsignal vorzusehen,
wobei das erste Zündsignal
zur Überwachung
des ersten und Grenzwertes und das zweite Zündsignal zum Überwachen
des zweiten Grenzwertes dient.
-
9 zeigt
der Vollständigkeit
halber den zeitlichen Verlauf der Betriebsfrequenz fp und der Leuchtenspannung
V10 ab Beginn der Ansteuerung der Last bis zu einem Zeitpunkt nach
Zünden
der Leuchtstofflampe. Vorzugsweise ist hierbei eine Softstart-Phase
vorhanden, während
der die Frequenz von einem hohen Anfangswert fs auf den Vorheizwert fph
abgesenkt wird, wobei während
dieser Softstart-Phase Ts die Leuchtspannung V10 von Null auf den
Vorheizwert ansteigt. Nach Ablauf der Vorheizdauer Th wird die Betriebsfrequenz
fp ausgehend von dem Vorheizfrequenzwert fph erfindungsgemäß stufenweise
abgesenkt, wobei in dem dargestellten zeitliche Verlauf die Lampenspannung
V10 für
eine Zeitdauer um den Wert des ersten Grenzwertes V1 schwankt, bis
die Lampe zündet
und die Betriebsfrequenz fp schließlich auf den zweiten Betriebsfrequenzwert
fr abgesenkt wird.
-
- Δf1, Δf2
- Frequenzschritte
- 10
- Leuchtstofflampe
- 11,
12
- Elektroden
der Leuchtstofflampe
- 20
- Ansteuerschaltung
- 30
- Leistungsfaktorkorrekturschaltung
- 32
- Entstördrossel
- 33
- Brückengleichrichter
- 33
- Sicherung
-
-
- C1,
C2, C3
- Kondensatoren
- C30
- Kondensator
- C4,
C5
- Kondensatoren
- D4,
D5, D30
- Dioden
- fp
- Betriebsfrequenz
- fph
- Vorheizfrequenz
- fpr
- Betriebsfrequenz
während
des Normalzustandes
- I1
- Lampenstrom
-
-
- IGN1,
IGN2
- Zündsignale
- IGNmax
- Zündsignal
- Iq2
- Strom
durch das Halbleiterschaltelement
- K1,
K2
- Versorgungsklemmen
- K3
- Ausgang
der Halbbrückenschaltung
- Q1,
Q2
- Halbleiterschaltelemente,
MOSFET
- Q30
- Halbleiterschaltelement
- R1,
R2, R3
- Widerstände
- R31,
R32
- Widerstände
- R33,
R34
- Widerstände
- S1,
S2
- Ansteuersignale
- S30
- Ansteuersignal
- Td
- Verzögerungsdauer
- Ta
- Zeitintervall
- Ton1,
Ton2
- Einschaltdauern
- Tp
- Periodendauer
- V1,
V2
- Grenzwerte
-
-
- V1', V2'
- Grenzwerte
- Vb
- Versorgungsspannung
- Z4
- Zenerdiode