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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für einen
Schaltwandler insbesondere für
einen eine Leistungsfaktorkorrektur-Funktion (Power Factor Controller,
PFC) besitzenden Schaltwandler, sowie eine Schaltungsanordnung mit
einem solchen Schaltwandler und einer an den Schaltwandler angeschlossenen
Last, insbesondere einer zur Aufnahme einer Leuchtstofflampe geeigneten
Last.
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In
der
US 6,617,805 B2 ist
eine Schaltungsanordnung mit einem als Leistungsfaktorkorrekturschaltung
(Power Factor Controller, PFC) ausgebildeten Schaltwandler und einer
durch den Schaltwandler versorgten, eine Leuchtstofflampe aufweisenden
Lastschaltung beschrieben. Die PFC-Schaltung stellt dabei eine geregelte
Gleichspannung zur Verfügung,
die von einer in der Lastschaltung vorhandenen Halbbrückenschaltung
in eine rechteckförmige
Versorgungsspannung für
einen Resonanzschwingkreis gewandelt wird. Die Leuchtstofflampe ist
dabei Teil des Schwingkreises und parallel zu dessen Resonanzkondensator
geschaltet.
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Während des
Betriebs einer Leuchtstofflampe gibt es wenigstens drei Betriebszustände: eine Vorwärmphase,
eine Zündphase
und eine Leuchtphase. Während
der Vorwärmphase
wird die rechteckförmige
Versorgungsspannung mit einer ersten Frequenz erzeugt, die so gewählt ist,
dass Leuchtenelektroden vorgewärmt
werden, dass die Spannung über
der Leuchte jedoch so gering bleibt, dass kein Zünden erfolgt. Während der
Zündphase
wird die Frequenz der Versorgungsspannung abgesenkt, wodurch die
Spannung über
der Leuchtstofflampe ansteigt bis die Leuchtstofflampe zündet. Nach
dem Zünden
wird eine zweite Frequenz eingestellt, die niedriger als die erste
Frequenz und die niedriger als die Frequenzen während der Zündphase ist. Diese einzelnen
Betriebsphasen sind beispielsweise in dem Datenblatt Nr. PD 601182-I
des integrierten Baustein IR2156(S) von International Rectifier,
Kalifornien, USA, beschrieben.
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Die
unterschiedlichen Betriebsphasen der Last stellen für den Schaltwandler
unterschiedliche Lastsituationen dar. Während der Vorwärm- und Zündphase
der Last ist die Leistungsabnahme durch die Last vergleichsweise
gering, steigt nach dem Zünden
jedoch sprunghaft an. Der Schaltwandler muss auf solche sprungartigen Änderungen
der Lastsituation dabei möglichst
schnell reagieren.
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Schaltwandler,
insbesondere auch die in Leistungsfaktorkorrekturschaltungen verwendeten Hochsetzsteller,
besitzen einen Spannungsregelkreis mit einer Rückkopplungsschleife, über welche
ein von der Ausgangsspannung abhängiges
Regelsignal an eine Ansteuersignalerzeugungsschaltung geliefert
wird, die ein Ansteuersignal für
einen die Leistungsaufnahme regelnden Schalter in dem Schaltwandler
bereitstellt. Dieses Regelsignal dient dabei zur Regelung der Leistungsaufnahme,
wobei die Leistungsaufnahme durch geeignete Ansteuerung des Schalters
erhöht
wird, wenn das Regelsignal auf eine unter einen Sollwert absinkende
Ausgangsspannung hinweist, und wobei die Leistungsaufnahme verringert
wird, wenn das Regelsignal auf eine über den Sollwert ansteigende
Ausgangsspannung hinweist. Bei PFC-Schaltungen erfolgt die Ansteuerung
des Schalters darüber
hinaus so, dass neben dem primären
Ziel, die Ausgangsspannung annähernd
konstant zu halten, als sekundäres
Ziel eine zu der Eingangsspannung proportionale Stromaufnahme erreicht
wird.
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Diese
grundsätzliche
Funktionsweise von PFC-Schaltungen ist hinlänglich bekannt und beispielsweise
in der
DE 197 25 842
A1 oder der
US 5,619,405 beschrieben.
Eine Ansteuerschaltung für einen
die Leistungsaufnahme regelnden Schalter in einer PFC-Schaltung
ist beispielsweise der integrierte Baustein des Typs TDA4863 der
Infineon Technologies AG, München,
der in "Boost Controller
TDA 4683, Power Factor Controller IC for High Power and Low THD", Data Sheet, V 1.0,
Infineon Technologies AG, May 2003, beschrieben ist. Die Anwendung
dieses integrierten Bausteins in einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung
ist in "TDA – Technical
Description AN-PFC-TDA 4863-1",
Application Note, V1.2, Infineon Technologies AG, Oct. 2003 beschrieben. Eine
weitere Ansteuerschaltung für
einen Schalter in einem in einer PFC-Schaltung eingesetzten Hochsetzsteller
ist in dem integrierte Baustein TDA 16888 der Infineon Technologies
AG, München,
realisiert, der in dem Datenblatt TDA 16888, 2000-02-28, Infineon
Technologies AG, München
beschrieben ist.
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Bei
der PFC-Schaltung der oben erwähnten
US 6,617,805 B2 erfolgt
die Regelung der Leistungsaufnahme abhängig von Betriebszuständen der
angeschlossenen Last, wobei die Regelung der Leistungsaufnahme während der
Leuchtphase langsamer als während
anderer Betriebsphasen erfolgt. "Langsamer" bedeutet, dass die
Nachregelung der Leistungsaufnahme bei Abweichungen der Ausgangsspannung
von der Sollspannung mit einer größeren zeitlichen Verzögerung erfolgt.
Dies wird dadurch erreicht, dass die Verstärkung eines in der Rückkopplungsschleife
des Spannungsregelkreises vorhandenen Regelverstärkers abhängig vom jeweiligen Betriebszustand
eingestellt wird.
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Die
EP 0 757 429 A1 beschreibt
einen Schaltwandler mit einer Ansteuerschaltung zur Erzeugung eines
Ansteuersignals für
einen die Leistungsaufnahme regelnden Schalter in dem Schaltwandler.
Ein Fehlersignal zur Erzeugung dieses Ansteuersignals wird bei diesem
Schaltwandler durch einen Fehlerverstärker aus einem Referenzsignal und
einem Rückkopplungssignal
erzeugt. Eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung des Rückkopplungssignals
umfasst einen Addierer, ein Tiefpassfilter, einen Negativspitzen-Detektor
sowie einen parallel zu dem Tiefpassfilter geschalteten "Beschleuniger".
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ansteuerschaltung für einen
die Leistungsaufnahme regelnden Schalter in einem zur Versorgung
einer Last dienenden Schaltwandler zur Verfügung zu stellen, die ein an
den Betriebszustand der Last angepasstes Regelverhalten ermöglicht,
und eine Schaltungsanordnung mit einem eine solche Ansteuerschaltung
aufweisenden Schaltwandler und einer Last zur Verfügung zu
stellen.
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Dieses
Ziel wird durch eine Ansteuerschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs
8 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Ansteuerschaltung für einen
die Leistungsaufnahme regelnden Schalter in einem Schaltwandler,
der Eingangsklemmen zum Anlegen einer Eingangsspannung und Ausgangsklemmen
zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung für eine Last aufweist, weist
folgende Merkmale auf:
- – einen ersten Eingang zum
Zuführen
eines von der Ausgangsspannung abhängigen Spannungsmesssignals,
- – eine
Fehlersignalerzeugungsschaltung, die ein Fehlersignal durch Vergleich
des Spannungsmesssignals mit einem Referenzsignal erzeugt,
- – eine
Filteranordnung, der das Fehlersignal zugeführt ist und die ein erstes
Regelsignal erzeugt,
- – eine
Ansteuersignalerzeugungsschaltung, der das erste Regelsignal zugeführt ist
und die abhängig
von dem ersten Regelsignal ein Ansteuersignal für den Schalter bereitstellt.
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Erfindungsgemäß weist
die Filteranordnung dabei folgende Merkmale auf:
- – eine erste
Filteranordnung, der das Fehlersignal zugeführt ist und die ein erstes
Filter und eine Überbrückungsschaltung
aufweist, wobei die Überbrückungsschaltung
dazu ausgebildet ist, das erste Filter nach Maßgabe eines von einem Lastzustand
der Last abhängigen
Lastzustandssignals, zu überbrücken,
- – eine
zweite Filteranordnung, der ein Ausgangssignal der ersten Filteranordnung
zugeführt
ist und die das erste Regelsignal bereitstellt.
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Wegen
der geforderten Proportionalität
zwischen Eingangsspannung und Eingangsstrom folgt bei Leistungsfaktorkorrekturschaltungen
der zeitliche Verlauf der Leistungsaufnahme dem zeitlichen Verlauf
des Quadrates der Eingangsspannung. Bei einer sinusförmigen Eingangsspannung
ist der zeitliche Verlauf der Leistungsaufnahme sinusquadratförmig. Dieser
sinusquadratförmigen
Leistungsaufnahme am Eingang der PFC-Schaltung steht bei Vorhandensein einer
konstanten Last eine konstante Leistungsabnahme durch die Last am
Ausgang des Wandlers gegenüber.
Ein am Ausgang der PFC-Schaltung üblicherweise vorhandener Kondensator
dient hierbei als Zwischenspeicher, der die Differenz zwischen der zeitlich
veränderlichen
Leistungsaufnahme und der konstanten Leistungsabnahme ausgleicht
und der dafür
sorgt, dass die Welligkeit der Leistungsaufnahme nur abgeschwächt zu einer
Welligkeit der Ausgangsspannung führt. Dieser Kondensator ist
ein signifikanter Kostenfaktor und soll deshalb so klein wie möglich bemessen
werden, was allerdings zu einer erhöhten Welligkeit der Ausgangsspannung
und damit des Fehlersignals führt.
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Das
erste Filter in der ersten Filteranordnung dient dazu, diese aus
der Welligkeit der Ausgangsspannung resultierende Welligkeit des
Fehlersignals auszufiltern. Bei einer sinusförmigen Eingangsspannung des
Schaltwandlers mit einer Frequenz von 50/60 Hz beträgt die Frequenz
dieser Welligkeit 100/120 Hz. Das erste Filter ist daher beispielsweise ein
Bandsperrfilter mit einer Dämpfung
von 20 dB für Frequenzen
zwischen 80 Hz und 140 HZ. Am Ausgang dieses Filters steht ein bandsperrgefiltertes Fehlersignal
zur Verfügung.
Die Erzeugung des zur Regelung der Leistungsaufnahme verwendeten
Regelsignals erfolgt in der der ersten Filteranordnung nachgeschalteten
zweiten Filteranordnung, die beispielsweise ein Integral-Verhalten
oder ein Proportional-Integral-Verhalten besitzt. Das von diesem
zweiten Filter erzeugte Regelsignal bestimmt maßgeblich das Ein- und Ausschwingverhalten
des Regelkreises.
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Das
erste Filter der Filteranordnung trägt zu einer Verzögerung der
Regelung bei, da sich Änderungen
des Fehlersignals erst zeitverzögert
in Änderungen
des gefilterten Fehlersignals bemerkbar machen. Diese Zeitverzögerung kann
bei Lastsprüngen einer
an den Ausgang des Schaltwandlers angeschlossenen Last zu einem
unerwünscht
starken Ansteigen oder Absinken der Ausgangsspannung führen bis
eine Nachregelung der Leistungsaufnahme und damit eine Regelung
der Ausgangsspannung auf den Sollwert erfolgt. Bei der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung
ist deshalb vorgesehen, das erste Filter in der ersten Filteranordnung
abhängig
von einem den Lastzustand der angeschlossenen Last anzeigenden Lastzustandssignal
zu überbrücken, um dadurch
das ungefilterte Fehlersignal unmittelbar – gegebenenfalls lediglich
um einen vorgegebenen Faktor verstärkt – der zweiten Filteranordnung
zuzuführen.
Dies führt
zu einer erheblichen Beschleunigung des Regelvorgangs, wobei die
Auswirkungen der Welligkeit des Fehlersignals auf die Regelung während Betriebsphasen
der Last, während
der mit starken Lastschwankungen zu rechnen ist, tolerierbar ist.
Bei einer eine Leuchtstofflampe aufweisenden Last ist eine Betriebsphase,
während
der mit starken Lastschwankungen gerechnet werden muss, beispielsweise
die Zündphase.
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Die Überbrückungsschaltung
ist beispielsweise derart ausgebildet, dass sie das erste Filter überbrückt, wenn
das Lastzustandssignal auf einen ersten Betriebszustand der Last
hinweist. Vorzugsweise ist die Überbrückungsschaltung
dazu ausgebildet, das erste Filter nach Ende des ersten Betriebszustandes
und Beginn eines zweiten Betriebszustandes noch für eine vorgegebene
Zeitdauer zu überbrücken. Bei
einer eine Leuchtstofflampe aufweisenden Last ist die erste Betriebsphase
beispielsweise eine Zündphase
der Leuchtstofflampe und die zweite Betriebsphase beispielsweise
eine Leuchtphase.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
eine Schaltungsanordnung mit einem als Hochsetzsteller ausgebildeten
Schaltwandler, der eine erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung für einen
die Leistungsaufnahme regelnden Schalter aufweist, und mit einer
an den Schaltwandler angeschlossenen, ein Lastzustandssignal bereitstellenden
Lastschaltung.
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2 zeigt
ein Beispiel einer ein Lastzustandssignal bereitstellenden Lastschaltung,
die eine Leuchtstofflampe aufweist.
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3 veranschaulicht
beispielhaft Betriebszustände
einer eine Leuchtstofflampe aufweisenden Last anhand des zeitlichen
Verlaufs der Frequenz einer Versorgungsspannung (3a),
den zeitlichen Verlauf eines Lastzustandssignals (3b)
und eines asymmetrisch verzögerten
Lastzustandssignals (LS').
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1 zeigt
eine Schaltungsanordnung mit einem als Hochsetzsteller ausgebildeten,
eine Leistungsfaktorkorrektur-Funktion
(PFC-Funktion) besitzenden Schaltwandler und mit einer an Ausgangsklemmen
K3, K4 des Schaltwandlers angeschlossenen Last Z, die ein Lastzustandssignal
bereitstellt, das einen jeweiligen Lastzustand der Last anzeigt.
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Wenngleich
der wesentliche Aspekt der vorliegenden Erfindung die besondere
Ausgestaltung einer Ansteuerschaltung 100 betrifft, die
ein Ansteuersignal PWM für
einen die Leistungsaufnahme regelnden Schalter betrifft, wird der
grundsätzliche
Aufbau des Schaltwandlers zum besseren Verständnis zunächst kurz erläutert.
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Der
Schaltwandler umfasst Eingangsklemmen K1, K2 zum Anlegen einer Eingangsspannung Vin,
die in dem Beispiel durch einen Brückengleichrichter GL aus einer
Wechselspannung, beispielsweise einer Netz-Wechselspannung Vn erzeugt
wird. Bei einer sinusförmigen
Netzspannung Vn besitzt die Eingangsspannung Vin einen sinusbetragförmigen zeitlichen
Verlauf. Der Hochsetzsteller weist ein induktives Speicherelement
L, beispielsweise eine Speicherdrossel, und einen Schalter SW auf,
wobei das induktive Speicherelement L und der Schalter SW so verschaltet
sind, dass bei geschlossenem Schalter SW das induktive Speicherelement
L parallel zu den Eingangsklemmen K1, K2 liegt. Parallel zu dem
Schalter SW ist eine Reihenschaltung mit einem Gleichrichterelement
D, beispielsweise einer Diode, und einem kapazitiven Speicherelement
C, beispielsweise einen Kondensator, geschaltet. Das induktive Speicherelement
L nimmt bei dieser Schaltungsanordnung bei geschlossenem Schalter
SW Energie über
die Eingangsklemmen K1, K2 auf und gibt bei geöffnetem Schalter SW einen Teil
dieser Energie über
die Diode an den Ausgangskondensator C und die an die Ausgangklemmen
K3, K4 angeschlossene Last Z ab. Eine Ausgangsspannung Vout zur
Versorgung der Last ist über
dem Ausgangskondensator C bzw. zwischen den Ausgangsklemmen K3,
K4 abgreifbar.
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Die
Ansteuerschaltung 100 umfasst zur Ansteuerung des Schalters
SW eine Ansteuersignalerzeugungsschaltung 30, die ein pulsweitenmoduliertes
Ansteuersignal PWM für
den Schalter SW abhängig
von einem ersten Regelsignal S1 erzeugt. Dieses erste Regelsignal
S1 steht am Ausgang einer Rückkopplungsschleife
zur Verfügung
und ist abhängig von
der Ausgangsspannung Vout des Schaltwandlers.
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Für den dargestellten
Hochsetzsteller gilt, dass die Leistungsaufnahme um so größer ist,
je größer der
Duty-Cycle des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals ist, je länger der
Schalter SW pro Ansteuerperiodendauer also eingeschaltet ist. Die
Erzeugung des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals PWM durch die
Ansteuersignalerzeugungsschaltung 30 erfolgt derart, dass
der Duty-Cycle des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals PWM zunimmt,
um die Leistungsaufnahme des Schaltwandlers zu erhöhen, wenn
das erste Regelsignal S1 auf eine im Vergleich zu einem Sollwert
zu kleine Ausgangsspannung Vout hinweist und dass der Duty-Cycle
des Ansteuersignals PWM abnimmt, um die mittlere Leistungsaufnahme
zu verringern, wenn das erste Regelsignal S1 auf eine im Vergleich
zu dem Sollwert zu hohe Ausgangsspannung Vout hinweist.
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Ansteuersignalerzeugungsschaltungen,
die eine solche Funktionalität
erfüllen,
sind hinlänglich bekannt,
so dass auf eine Erläuterung
im Detail hier verzichtet werden kann. Bei Ansteuersignalerzeugungsschaltungen
in PFC-Schaltungen wird neben den von der Ausgangsspannung abhängigen ersten Regelsignal
S1 auch der Momentanwert des Eingangsstromes Iin und der Momentanwert
der Eingangsspannung Vin berücksichtigt,
um durch geeignete Ansteuerung des Schalters SW einen zur Eingangsspannung
Vin proportionalen mittleren Eingangsstrom Iin zu erhalten. Die
Information über
den Momentanwert des Eingangsstromes Iin der Ansteuersignalerzeugungsschaltung 30 in
dem Ausführungsbeispiel
in Form eines von einer Strommessanordnung MI erzeugten zweiten
Regelsignals S2 zugeführt,
und die Information über
den Momentanwert der Eingangsspannung Vin ist der Ansteuersignalerzeugungsschaltung 30 über einen
Ohmschen Widerstand R3 in Form eines dritten Regelsignals S3 zugeführt.
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Eine
Ansteuersignalerzeugungsschaltung
30, die aus einem von
einer Ausgangsspannung abhängigen
ersten Regelsignal S1, einem von dem Eingangsstrom Iin abhängigen Signal
S2 und einem von der Eingangspannung Vin abhängigen dritten Signal S3 ein
pulsweitenmoduliertes Ausgangssignal für einen die Leistungsaufnahme
regelnden Schalter in einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung erzeugt,
ist beispielsweise in dem Datenblatt des eingangs erläuterten
Bausteins TDA16888 beschrieben. Auch in der eingangs erläuterten
US 5,619,405 oder der
DE 197 25 842 A1 ist
eine Ansteuersignalerzeugungsschaltung beschrieben, die aus einem
von der Ausgangsspannung abhängigen
Regelsignal, einem von der Eingangsspannung abhängigen Signal sowie einem von
dem Eingangsstrom abhängigen
Signal ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal für einen
Schalter in einem Hochsetzsteller erzeugt. Ein- oder Ausschaltzeitpunkte
des Schalters werden bei diesen Ansteuerschaltungen durch einen
internen Taktsignalgenerator vorgegeben, während die Einschaltdauern abhängig sind
vom Vergleich eines Rampensignals mit einem aus dem Eingangsspannungssignal und
dem ersten Regelsignal abhängigen
Schwellensignal.
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Ein-
oder Ausschaltzeitpunkte des Schalters können in nicht näher dargestellter
Weise auch aus dem Magnetisierungszustand der Speicherdrossel L abgeleitet
werden, was beispielsweise in der
US 6,140,777 beschrieben
ist.
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Darüber hinaus
sei angemerkt, dass die Information über den Momentanwert der Eingangsspannung
nicht notwendigerweise durch Messung der Eingangsspannung ermittelt
werden muss, sondern auch auf andere Weise, beispielsweise aus dem nach
Schließen
des Schalters SW rampenförmigen Verlauf
des Eingangsstromes ermittelt werden kann. Auch die Erfassung des
Eingangsstromes Iin ist abhängig
von der konkreten Ausgestaltung der Ansteuersignalerzeugungsschaltung 30 nicht
notwendigerweise erforderlich.
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Gemeinsam
ist allen unterschiedlichen Ausgestaltungen der Ansteuersignalerzeugungsschaltung 30 jedoch,
dass sie zur Erzeugung des pulsweitenmoduliertes Ansteuersignals
PWM für
die Regelung der Leistungsaufnahme ein von der Ausgangsspannung
abhängiges
erstes Regelsignal S1 benötigen.
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Bei
der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung 100 wird
dieses von der Ausgangsspannung abhängige Regelsignal S1 erfindungsgemäß durch
eine Filteranordnung 20 aus einem Fehlersignal S10 erzeugt.
Zur Erzeugung des Fehlersignals S10 ist eine Fehlersignalerzeugungsschaltung 10 vorhanden,
die ein von der Ausgangsspannung Vout abhängiges Spannungsmesssignal
Vs mit einem von einer Referenzspannungsquelle 12 bereitgestellten
Referenzsignal Vref vergleicht. Das Spannungsmesssignal Vs steht
in dem Ausführungsbeispiel
an einem Mittenabgriff eines zwischen die Ausgangsklemmen K3, K4 geschalteten
Spannungsteilers R3, R4 zur Verfügung.
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Die
Filteranordnung 20 umfasst ein erstes Filter 22 dem
das Fehlersignal S10 zugeführt
ist, und an dessen Ausgang ein erstes Filtersignal S22 zur Verfügung steht.
Dieses erste Filter 22 ist beispielsweise ein Bandsperrfilter,
dessen Übertragungsverhalten
so gewählt
ist, dass eine Welligkeit des Fehlersignals S10, die aus einer Welligkeit
der Ausgangsspannung Vout resultiert, ausgefiltert wird. Diese Welligkeit
der Ausgangsspannung Vout ist abhängig von der Kapazität des Ausgangskondensators
C mehr oder weniger stark ausgeprägt und resultiert daraus, dass
bei einer PFC-Schaltung die Leistungsaufnahme über der Zeit variiert und in
ihrem zeitlichen Verlauf im Wesentlichen dem Quadrat der Eingangsspannung
Vin folgt, während
die Leistungsabnahme bei Vorhandensein einer konstanten Last Z im Wesentlichen
konstant ist. Je kleiner die Kapazität des Ausgangskondensators
C dabei ist, um so stärker
wirkt sich eine Differenz zwischen dem Momentanwert der periodischen
Leistungsaufnahme und der konstanten Leistungsabnahme durch die
Last Z auf Schwankungen der Ausgangsspannung Vout aus. Aus dem am
Ausgang des ersten Filters 22 zur Verfügung stehenden ersten Filtersignal
S22 sind diese periodischen Schwankungen des Fehlersignals S10 ausgefiltert,
das erste Filtersignal S22 entspricht somit im Wesentlichen dem
Mittelwert des Fehlersignals über
wenigstens eine Schwingungsperiode bzw. ist proportional zu diesem
Mittelwert.
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Die
erste Filteranordnung 21 umfasst außerdem eine Überbrückungsschaltung 23, 24,
die dazu ausgebildet ist, das erste Filter 22 abhängig vom
dem von der Last Z zur Verfügung
gestellten Lastzustandssignal LS zu überbrücken. Dieses Lastzustandssignal
LS ist der Ansteuerschaltung 100 an einem Anschluss zugeführt. Die Überbrückungsschaltung 23, 24 umfasst
in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
einen Multiplexer 23, dem an einem Eingang das erste Filtersignal
S22 zugeführt
ist, und einen das erste Filter 22 überbrückenden Schaltungs zweig 24, über welchen
das Fehlersignal S10 einem zweiten Eingang des Multiplexers 23 zugeführt ist.
Optional ist in diesem Überbrückungszweig 24 ein
Verstärker 25 vorhanden,
der das Fehlersignal S10 mit einem vorgegebenen Verstärkungsfaktor verstärkt.
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Der
Multiplexer 23 stellt abhängig vom Pegel des Lastzustandssignals
LS das erste Filtersignal S22 oder das am Überbrückungszweig 24 anliegende,
dem ersten Fehlersignal S10 oder dem verstärkten Fehlersignal S10 entsprechende
Signal S24 als Ausgangssignal S21 der ersten Filteranordnung 21 zur
Verfügung.
Dieses Ausgangssignal S21 der ersten Filteranordnung 21 ist
einem zweiten Filter 26 zugeführt, welches das erste, von
der Ausgangsspannung Vout abhängige
erste Regelsignal S1 zur Verfügung
stellt, das in der Ansteuersignalerzeugungsschaltung zur Regelung
der Leistungsaufnahme verwendet wird. Die zweite Filteranordnung 26 umfasst vorzugsweise
ein Filter mit integrierendem Verhalten, also ein Filter, bei dem
das erste Regelsignal S1 abhängig
ist vom Integral des dem Filter 26 zugeführten Eingangssignals
S21. Alternativ kann die zweite Filteranordnung 26 ein
Filter mit Proportional-Integral-Verhalten
aufweisen, also ein Filter, welches das erste Regelsignal S1 aus
dem Eingangssignal S21 so erzeugt, dass das erste Regelsignal S1
einen zu dem Eingangssignal S21 proportionalen Signalanteil und
einen vom Integral des Eingangssignals S21 abhängigen Signalanteil umfasst.
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Eine Überbrückung des
ersten Filter 22 erfolgt bei der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung 100 beispielsweise
dann, wenn das Lastzustandssignal LS auf einen Lastzustand der Last
Z hinweist, bei dem mit einer sprungartigen Änderung der Belastung an den
Ausgangsklemmen K3, K4 des Schaltwandlers zu rechnen ist. Bei einer
eine Leuchtstofflampe aufweisenden Last Z ist ein solcher Betriebszustand beispielsweise
die Zündphase.
Während
einer solchen Zündphase
steigt die Leistungsaufnahme der Last sprungartig an, wenn die Leuchtstofflampe
zündet.
Die Überbrückung des
die Welligkeit des Fehler signals S10 ausfilternden ersten Filter 22 während dieser
Betriebsphase bewirkt eine Beschleunigung des Spannungsregelvorganges,
d. h. eine schnellere Reaktion des Wandlers auf Lastsprünge am Ausgang K3,
K4. Bei überbrücktem ersten
Filter 22 werden Änderungen
des Fehlersignals S10 über
das zweite Filter 26 schneller an die Ansteuersignalerzeugungsschaltung 30 weitergegeben,
die dadurch die Leistungsaufnahme des Schaltwandlers bei einer sprungartigen
Laständerung
schneller nachregeln kann, um die Ausgangsspannung Vout auf einen
vorgegebenen, von dem Referenzsignal Vref abhängigen Sollwert einzuregeln.
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Die
erste und zweite Filteranordnung 21, 26 können als
analoge oder als digitale Filteranordnungen realisiert sein, wobei
in letzterem Fall dem Differenzverstärker 11 ein Analog-Digital-Wandler 13 nachgeschaltet
ist, der der ersten Filteranordnung ein digitalisiertes Fehlersignal
zuführt.
Das erste Regelsignal ist dabei ebenfalls ein digitales Signal,
das von der in diesem Fall digitalen Ansteuersignalerzeugungsschaltung 30 weiterverarbeitet
wird.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer an die Ausgangsklemmen K3, K4 des Schaltwandlers anschließbaren Last
Z, die ein Lastzustandssignal LS zur Verfügung stellt. Diese Last ist
als Lampenvorschaltgerät
für eine
Leuchtstofflampe ausgebildet, in dem eine Leuchtstofflampe 40 aufgenommen
ist. Das Lampenvorschaltgerät
umfasst eine Halbbrückenschaltung
T1, T2 mit zwei Halbleiterschaltelementen, deren Laststrecken in
Reihe zwischen die Ausgangsklemmen K3, K4 des Schaltwandlers geschaltet
sind, die als Versorgungsspannungsklemmen des Vorschaltgeräts dienen.
Zur Ansteuerung der beiden Halbleiterschaltelemente T1, T2 ist eine
Ansteuerschaltung 50 vorhanden, die Ansteuersignale ST1, ST2
für die
Halbleiterschaltelemente derart erzeugt, dass an einem Ausgang K5
der Halbbrückenschaltung
eine Versorgungsspannung V3 mit einem rechteckförmigen oder trapezförmigen Verlauf
zur Verfügung
steht. Die Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente T1, T2 erfolgt dabei
derart, dass die beiden Halbleiterschaltelemente nicht gleichzeitig
leiten.
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Die
rechteckförmige
Spannung V3 speist einen Resonanzschwingkreis mit einer Resonanzinduktivität L1 und
einer Resonanzkapazität
C1, die in Reihe geschaltet sind. Parallel zu der Resonanzkapazität C1 ist
dabei die Leuchtstofflampe 40 geschaltet. Eine weitere
Kapazität
C2 des Resonanzschwingkreises dient als Abblockkapazität und bewirkt
eine Ausfilterung des Gleichanteils aus der am Ausgang K5 der Halbbrückenschaltung
zur Verfügung
gestellten rechteckförmigen
Spannung V3.
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Das
Lampenvorschaltgerät
umfasst in dem Ausführungsbeispiel
außerdem
einen Snubber-Kondensator C3, der zwischen die Ausgangsklemmen K5
der Halbbrücke
und Bezugspotential geschaltet ist und dessen Aufgabe es in hinlänglich bekannter Weise
ist, einen Nullspannungsschaltbetrieb der Halbleiterschaltelemente
T1, T2 zu ermöglichen.
Der Steuerschaltung 50 sind in dem Ausführungsbeispiel außerdem Messsignale
zugeführt,
die für
die Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente herangezogen werden
können.
Diese Messsignale umfassen in dem Ausführungsbeispiel ein Spannungsmesssignal S40,
das mittels eines Spannungsteilers R4, R5 aus der Lampenspannung 40 erzeugt
wird, sowie ein Strommesssignal S6, welches mittels eines Strommesswiderstandes
R6, der in Reihe zu dem zweiten Halbleiterschalterelement T2 geschaltet
ist, ermittelt wird.
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Unterschiedliche
Betriebsphasen der dargestellten Last, bzw. der Leuchtstofflampe 40 werden durch
die Steuerschaltung 50 vorgegeben. Dabei sind wenigstens
drei unterschiedliche Betriebsphasen vorhanden, nämlich eine
Vorwärmphase,
eine Zündphase
und eine Leuchtphase.
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Diese
unterschiedlichen Betriebsphasen unterscheiden sich im Wesentlichen
durch die Frequenz der am Ausgang K5 der Halbbrücke T1, T2 anliegenden Versorgungsspannung
V3 des Reso nanzschwingkreises, wie nachfolgend anhand von 3 erläutert wird.
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3a veranschaulicht den zeitlichen Verlauf
der Frequenz f dieser Versorgungsspannung V3 für eine Vorwärmphase Tv, eine der Vorwärmphase Tv
folgende Zündphase
Tz und eine der Zündphase Tz
folgenden Leuchtphase T1. Während
der Vorwärmphase
Tv wird die Versorgungsspannung V3 mit einer ersten Frequenz f1
erzeugt, die so gewählt ist,
dass eine aus der Versorgungsspannung V3 bei dieser Frequenz resultierende
Spannung V40 über der
Lampe 40 nicht ausreichend ist, um die Lampe zu zünden, dass
allerdings eine Vorwärmung
von Leuchtenelektroden 41, 42 erfolgt. Während der
sich an die Vorwärmphase
Tv anschließenden
Zündphase
Tz wird diese Frequenz abgesenkt, bis sie am Ende der Zündphase
Tz einen zweiten Frequenzwert f2 erreicht, der für die nachfolgende Leuchtphase
beibehalten wird. Bedingt durch das Absenken der Frequenz der Versorgungsspannung
V3 steigt die Leuchtenspannung V40 an, so dass die Lampe während eines
Zeitpunktes der Zündphase
Tz zündet.
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In 3a ist als weiterer Betriebszustand eine
Soft-Start-Phase
Ts dargestellt, während
der die Frequenz f vor der Vorwärmphase
ausgehend von einem höheren
Frequenzwert auf den Vorwärm-Frequenzwert
abgesenkt wird.
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Das
Lastzustandssignal LS zeigt beispielsweise Beginn und Ende der Zündphase
Tz an. 3b zeigt beispielhaft einen
zeitlichen Verlauf des Lastzustandssignals LS, wobei das Lastzustandssignal
LS während
der Zündphase
Tz einen High-Pegel und
sonst einen Low-Pegel annimmt. Der Multiplexer 23 gemäß 1 ist
hierbei dazu ausgebildet, während
der Phase, während
der das Lastzustandssignal LS einen High-Pegel annimmt, das Überbrückungssignal
S24 als Ausgangssignal der ersten Filteranordnung S21 bereitzustellen.
Optional ist dem Steuereingang des Multiplexers 23 ein
asymmetrisches Verzögerungsglied 27 vorgeschaltet,
welches eine Flanke – in
dem Beispiel die fallende Flanke – des Lastzustandssignals LS
zeitverzögert
mit einer Verzögerungszeit
td weitergibt. Ein am Ausgang dieses optionalen Verzögerungsglieds
anliegenden asymmetrisch verzögerten
Lastsignals LS ist in 3c dargestellt.
Dieses Lastsignal LS' bewirkt,
dass das erste Filter 22 während der Zündphase Tz und zudem während einer
vorgegebenen, durch das Verzögerungsglied
vorgegebenen Zeitdauer td zu Beginn der Leuchtphase T1, während der
ebenfalls noch Lastsprünge
auftreten können, überbrückt wird.
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Abschließend sei
darauf hingewiesen, dass die Ansteuerschaltung 100 des
Schaltwandlers und die Steuerschaltung 50 der Halbleiterschaltelemente des
Lampenvorschaltgerätes
und gegebenenfalls die durch die Ansteuerschaltung 100, 50 angesteuerten Schaltelemente
SW, T1, T2 in einem gemeinsamen Halbleiterkörper bzw. Halbleiterchip integriert
sein können.
-
- C
- Kondensator
- C1
- Resonanzkapazität
- C2
- Abblockkondensator
- C3
- Snubber-Kondensator
- D
- Diode
- GL
- Brückengleichrichter
- Iin
- Eingangsstrom
des Schaltwandlers
- K1,
K2
- Eingangsklemmen
des Schaltwandlers
- K3,
K4
- Ausgangsklemmen
des Schaltwandlers
- K5
- Ausgangsklemme
der Halbbrückeschaltung
- L
- Speicherdrossel
- L1
- Resonanzinduktivität
- LS
- Lastzustandssignal
- MI
- Strommessanordnung
- Nv
- Netzspannung
- R1,
R2
- Spannungsteiler
- R3
- Widerstand
- R4,
R5
- Spannungsteiler
- R6
- Strommesswiderstand
- S10
- Fehlersignal
- S21
- Ausgangssignal
der ersten Filteranordnung
- S22
- erstes
Filtersignal
- S24
- Überbrückungssignal
- ST1,
ST2
- Ansteuersignale
der Halbleiterschaltelemente
- T1,
T2
- Halbleiterschaltelemente
- V40
- Lampenspannung
- Vin
- Eingangspannung
des Schaltwandlers
- Vref
- Referenzspannung
- Vs
- Spannungsmesssignal
- Z
- Last
- 10
- Fehlersignalerzeugungsschaltung
- 11
- Differenzverstärker
- 12
- Referenzspannungsquelle
- 20
- Filteranordnung
- 21
- erste
Filteranordnung
- 22
- erstes
Filter
- 23
- Multiplexer
- 24
- Überbrückungszweig
- 25
- Verstärker
- 26
- zweite
Filteranordnung
- 30
- Ansteuersignalerzeugungsschaltung
- 40
- Leuchtstofflampe
- 50
- Steuerschaltung
- 41,
42
- Elektroden
der Leuchtstofflampe
- 100
- Ansteuerschaltung