DE102004050110A1

DE102004050110A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betreiben von Entladungslampen an ein- oder mehrphasigen Netzen mittels Vorschaltgerät

Info

Publication number: DE102004050110A1
Application number: DE200410050110
Authority: DE
Inventors: Ullrich Staude
Original assignee: FAB CONSULTING GmbH
Current assignee: FAB CONSULTING GmbH
Priority date: 2004-10-14
Filing date: 2004-10-14
Publication date: 2006-04-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von Entladungslampen an ein- oder mehrphasigen Netzen mittels Vorschaltgerät, wobei die Netzspannung über eine Gleichrichteranordnung einem oder mehreren Vorschaltgerät-Halbbrückentreibern zugeführt wird, sowie weiterhin netzseitig eine EMV-Filterschaltung vorgesehen ist. Erfindungsgemäß wird die Dimmung der Entladungslampen über das Anlegen unterschiedlicher Betriebsspannungen an die Halbbrückentreiber vorgenommen, wobei hierfür eine regelbare Gleichspannungsquelle vorgesehen ist und die Entladungslampen bevorzugt mit einer Festfrequenz beaufschlagt werden. Anordnungsseitig ist am Ausgang einer Gleichrichteranordnung ein regelbares Gleichspannungs-Netzteil angeschlossen, welches mit einem Steuer- und Monitoringbus in Verbindung steht. Das Gleichspannungs-Netzteil führt zu einer Gruppe von elektrisch parallel angeordneten Mehrfach-Vorschaltgeräten, wobei an jedem Mehrfach-Vorschaltgerät mehrere Entladungslampen anschließbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Entladungslampen an ein- oder mehrphasigen Netzen mittels Vorschaltgerät, wobei die Netzspannung über eine Gleichrichteranordnung einem oder mehreren Vorschaltgerät-Halbbrückentreibern zugeführt wird, sowie weiterhin netzseitig eine EMV-Filterschaltung vorgesehen ist, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von Entladungslampen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
Aus der PCT-WO 02/056644 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum mehrphasigen Betreiben einer Gasentladungs- bzw. einer Metalldampflampe vorbekannt.
Gemäß der dortigen Aufgabenstellung soll der Bauteileaufwand eingeschränkt und gleichzeitig ein gefordertes Maß an elektromagnetischer Verträglichkeit und geringer Oberwellen-Störstrahlung gesichert werden.
Hierfür wird gemäß der Lehre nach PCT-WO 02/056644 A1 eine Vorrichtung zum Steuern der Beleuchtungsstärke von Entladungslampen bereitgestellt, welche einen Mehrphasen-Vollweggleichrichter aufweist, welcher ausgangsseitig mit einer Mehrphasen-Spannungsquelle verbunden ist. Weiterhin ist eine gesteuerte Schaltereinrichtung vorgesehen, die eingangsseitig mit der Ausgangsseite des Mehrphasen-Vollweggleichrichters in Verbindung steht und die ausgangsseitig mit einem Resonanzkreis, an den die Gasentladungslampe bzw. die Metalldampflampe anschließbar ist, verbunden wird. Darüber hinaus umfaßt die vorbekannte Vorrichtung eine Steuerschaltung zur Ansteuerung der Schaltereinrichtung entsprechend einem extern zugeführten Steuersignal, um die in die Gasentladungslampe eingekoppelte Energie zu steuern, wobei durch die gleichgerichtete Mehrphasenspannung der Leistungsfaktor der Vorrichtung größer als 0,95 sein soll.
Durch die Gleichrichtung der Mehrphasen-Wechselspannung mittels des Vollweggleichrichters stellt sich am Ausgang des Gleichrichters eine Gleichspannung mit nur noch einer geringen Welligkeit ein. Aufgrund der geringen Welligkeit in Verbindung mit der höheren Frequenz der Spannungswelligkeit treten bei der Beleuchtungsstärke der Gasentladungslampe nur sehr geringe, aufgrund der höheren Brummfrequenz kaum wahrnehmbare Schwankungen auf. Dies soll bei bestimmten Anwendungsgebieten, z.B. in Solarien oder medizinischen Einrichtungen, von Vorteil sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform gemäß dem geschilderten Stand der Technik ist ein Stützkondensator an der Ausgangsseite des Mehrphasen-Vollweggleichrichters vorgesehen, um kurze Spannungseinbrüche beim Schalten der Halbbrücke auszugleichen. Ebenso besteht die Möglichkeit einer Vorsteuerung, die das externe Steuersignal gegensinnig zu einer Restwelligkeit der gleichgerichteten Mehrphasenspannung moduliert. Hierdurch sollen noch vorhandene Beleuchtungsschwankungen ausgeregelt werden. Die Halbbrücken-Treiberschaltung steht, wie bereits erwähnt, mit einer Ansteuerschaltung in Verbindung, welche wiederum einen Steuereingang zum Zuführen eines Steuersignals zur Einstellung der Beleuchtungsstärke der entsprechenden Gasentladungslampe besitzt. Die Ansteuerschaltung erzeugt in Reaktion auf ein extern zugeführtes oder ein intern erzeugtes Steuersignal Gate-Ansteuersignale für die Transistoren der Brückenschaltung mit einer Frequenz oder einem veränderlichen Tastgrad, die bzw. der dem Steuersignal entspricht. Bei einem aus einer Spule, der Gasentladungslampe und einem Reihenkondensator gebildeten Resonanzkreis wird mit der durch das externe oder intern erzeugte Steuersignal vorgegebenen Frequenz eine Erregung vorgenommen, so daß die Gasentladungsröhre zum Leuchten gebracht wird.
Grundsätzlich gilt für den bisher bekannt gewordenen Stand der Technik, daß Entladungslampen mit einer ungeregelten, sogenannten Zwischenkreisspannung über einen Hochsetzsteller versorgt werden. Mit Hilfe des Hochsetzstellers kann eine geregelte Lampenleistung vorgegeben und eine Minimierung der störenden Oberwellen erreicht werden.
Nachteilig ist jedoch, daß die Zwischenkreisspannungen mindestens den Wurzel-zweifachen Wert der maximalen Netzbetriebsspannung aufweisen müssen, um einen ausreichenden Regelabstand zu erhalten. Aufgrund dieser höheren Spannungen sind spannungsfestere und damit teuere Bauelemente mit ungünstigeren Parametern notwendig. Die in jedem Fall erforderlichen Lampendrosseln und Reihenkondensatoren müssen einen wesentlich höheren Spannungsabfall realisieren und besitzen eine höhere ohmsche Verlustleistung.
Wie geschildert, erfolgt die Dimmung elektronischer Vorschaltgeräte ausschließlich über eine Änderung der Betriebsfrequenz der Halbbrückenschaltung. Diese Frequenzänderungen führen zu stets unterschiedlichen Resonanzbedingungen der gesamten Schaltungsanordnung und bewirken eine erhebliche Störabstrahlung sowohl leitungsgebunden als auch feldgebunden. Aus diesem Grunde ist weiterer schaltungstechnischer Aufwand zum Erhalt einer notwendigen elektromagnetischen Verträglichkeit erforderlich.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von Entladungslampen an ein- oder mehrphasigen Netzen mittels Vorschaltgerät anzugeben, wobei die Netzspannung über eine Gleichrichteranordnung einem oder mehreren Vorschaltgerät-Halbbrückentreibern zugeführt wird und ein Dimmen von Entladungslampen realisiert werden kann, welches nur zu minimalen Störstrahlungen führt, so daß der herstellungsseitige Aufwand reduziert werden kann.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt verfahrensseitig mit einer Lehre gemäß Definition des Patentanspruchs 1 sowie mit einer Schaltungsanordnung gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 8, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Verfahrensseitig wird gemäß dem Grundgedanken der Erfindung die Dimmung der Entladungslampen über das Anlegen unterschiedlicher Betriebsspannungen an die Halbbrückentreiber vorgenommen, wobei hierfür eine regelbare Gleichspannungsquelle vorgesehen ist und die Entladungslampen mit einer Festfrequenz zu beaufschlagen sind.
Es ist demnach ein regelbares Gleichspannungs-Netzteil vorgesehen, an dessen Ausgang mehrere Vorschaltgerät-Halbbrückentreiber, eine Gruppe bildend, parallel angeschlossen sind.
Jede Gruppe kann über einen Microcontroller und einen gemeinsamen Bus diskret überwacht und gesteuert werden, was zu einer weiteren Vereinfachung des Aufbaus entsprechender Vorschaltgeräte führt.
Für jede Gruppe braucht nur eine einzige Monitoringschaltung vorgesehen sein, und zwar aufgrund der besonderen Lampenansteuerung unter Beachtung der Festfrequenz und des Resonanzfalls.
Neben dem Betreiben der Entladungslampen mittels niedriger geregelter Zwischenkreis-Gleichspannung im Tiefsetzsteller-Verfahren ist je nach Netzbedingungen auch ein Hochsetzsteller-Betrieb ergänzend möglich.
Im Unterschied zum Stand der Technik, wo eine Dimmung elektronischer Vorschaltgeräte ausschließlich über eine Änderung der Betriebsfrequenz der Halbbrückenschaltung erfolgt und wo stets unterschiedliche Resonanzbedingungen und eine dadurch bedingte erhebliche Störabstrahlung vorliegt, wird erfindungsgemäß über die Betriebsspannung der Halbbrückenschaltung gedimmt, so daß die Möglichkeit besteht, ein EMV-Filter und damit die Störabstrahlung auf eine Festfrequenz zu optimieren.
Die Schaltungsanordnung zum Betreiben von Entladungslampen an ein- oder mehrphasigen Netzen mittels Vorschaltgerät gemäß der Erfindung weist ein ausgangsseitig der Gleichrichteranordnung angeschlossenes regelbares Gleichspannungs-Netzteil auf, welches mit einem Steuer- und Monitoringbus in Verbindung steht.
Das Gleichspannungs-Netzteil führt zu einer Gruppe von elektrisch parallel angeordneten Mehrfach-Vorschaltgeräten. An jedem Mehrfach-Vorschaltgerät sind mehrere Entladungslampen anschließbar, wobei der Steuer- und Monitoringbus mit den Mehrfach-Vorschaltgeräten in Verbindung steht.
Die Mehrfach-Vorschaltgeräte weisen einen entsprechend dimensionierten Wechselrichter auf. Ausgestaltend können die Wechselrichter eine Umschalteinrichtung für den Festfrequenz-Betrieb oder einen Betrieb mit variabler Frequenz besitzen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme einer Figur näher erläutert werden.
Die Figur zeigt hierbei ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Betreiben von Entladungslampen an ein- oder mehrphasigen Netzen mittels Vorschaltgerät.
Konkret steht ein optimiertes EMV-Filter 1 mit den drei Phasen R, S und T eines Dreiphasennetzes in Verbindung. Ausgangsseitig führt das EMV-Filter 1 auf eine Gleichrichteranordnung 2, die wiederum mit einem regelbaren Gleichspannungs-Netzteil 3 in Verbindung steht.
Am regelbaren Gleichspannungs-Netzteil 3 ist ein Steuer- und Monitoringbus 4 angeschlossen, welcher auf eine Microcontrollersteuerung 5 führt. Diese Microcontrollersteuerung kann mit einem externen Bussystem 6 in Verbindung stehen und besitzt verschiedene Eingänge 7 zum manuellen Ansteuern der Entladungslampen 8. An einem UV-Sensoreingang 9 der Microcontrollersteuerung 5 besteht die Möglichkeit, Leistungs- und/oder Strahlungsparameter der Entladungslampen 8 zu überwachen, um deren Betrieb, z.B. beim Einsatz in einem Solarium, zu optimieren. Die vom regelbaren Gleichspannungs-Netzteil 3 an dessen Ausgang zur Verfügung stehende geregelte Gleichspannung beispielsweise im Bereich von 200 V bis 400 V wird auf den Eingang mehrerer parallel geschalteter Mehrfach-Vorschaltgeräte 10 geführt. Der Steuer- und Monitoringbus 4 steht auch jeweils mit der Gruppe von Mehrfach-Vorschaltgeräten 10 in Verbindung.
Ein Mehrfach-Vorschaltgerät 10 kann mehrere Entladungslampen 8 treiben, wobei die Anzahl und die Leistung der Lampen in Abhängigkeit von der Auslegung des Netzteils und der Mehrfach-Vorschaltgeräte gewählt wird.
Die Lampen-Parallelkondensatoren 11 können auch bereits auf der Platine des Mehrfach-Vorschaltgeräts angeordnet werden, wobei in diesem Fall die entsprechenden Lampenelektroden zu verbinden sind, Das regelbare Gleichspannungs-Netzteil 3 ist sowohl für den Betrieb als auch die Steuerung, d.h. die Dimmung der entsprechenden Entladungslampen 8 auf der Basis einer variablen, steuerbaren Ausgangsspannung dimensioniert.
Erfindungsgemäß wird eine Zusammenfassung und Vereinfachung mehrerer elektronischer Vorschaltgeräte zu Gruppen vorgenommen, wobei in jeder Gruppe nur ein Generator mit Halbbrückentreiber und Treibertransistoren für mehrere Ausgänge vorhanden ist.
Da ein nichtresonanter Betrieb der Ausgänge der Mehrfach-Vorschaltgeräte erfolgt, ist das notwendige Monitoring wesentlich einfacher bezogen auf den Stand der Technik durchführbar.
Das Netzteil 3 stellt, wie erwähnt, Ausgangs-Gleichspannungen im Bereich von etwa 200 V bis 400 V regelbar zur Verfügung, und zwar im Bereich der Leistungsabgabe der Lampen. Demnach wird nicht über eine Frequenzänderung, sondern über eine Spannungsänderung der Ausgangs-Gleichspannung gedimmt. Je nach Leistungsfähigkeit des Netzteils 3 können mehrere, parallel geschaltete Vorschaltgeräte angeschlossen werden, die eine gemeinsam angesteuerte und überwachte Gruppe bilden.
Der Bauteileaufwand gemäß Ausführungsbeispiel läßt sich dadurch reduzieren, indem eine Zusammenfassung von Filter, Gleichrichter, Hoch- und Tiefsetzsteller, Glättungskondensator und Dimmeingang für eine Anzahl von Vorschaltgeräten vorgenommen wird.
Zusammenfassend liegt der Kerngedanke der Erfindung in dem Konzept zum Betreiben von Entladungslampen mit niedrigen geregelten Zwischenkreisspannungen mittels eines Tiefsetzstellers, wobei die Dimmung der Lampen über die Höhe der geregelten Zwischenkreisspannung vorgenommen wird und hierfür ein Gleichspannungs-Netzteil mit variabler, steuerbarer Ausgangsspannung vorgesehen ist.

1: EMV-Filter
2: Gleichrichteranordnung
3: regelbares Gleichspannungs-Netzteil
4: Steuer- und Monitoringbus
5: Microcontrollersteuerung
6: externes Bussystem
7: Handsteuereingänge
8: Entladungslampe
9: UV-Sensoreingänge
10: Mehrfach-Vorschaltgerät
11: Lampen-Parallelkondensator

Claims

Verfahren zum Betreiben von Entladungslampen an ein- oder mehrphasigen Netzen mittels Vorschaltgerät, wobei die Netzspannung über eine Gleichrichteranordnung einem oder mehreren Vorschaltgerät-Halbbrückentreibern zugeführt wird, sowie weiterhin netzseitig eine EMV-Filterschaltung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimmung der Entladungslampen über das Anlegen unterschiedlicher Betriebsspannungen an die Halbbrückentreiber vorgenommen wird, wobei hierfür eine regelbare Gleichspannungsquelle vorgesehen ist und die Entladungslampen mit einer Festfrequenz beaufschlagt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein regelbares Gleichspannungs-Netzteil vorgesehen ist, an dessen Ausgang mehrere Vorschaltgerät-Halbbrückentreiber, eine Gruppe bildend, angeschlossen sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe über einen Microcontroller und einen gemeinsamen Bus diskret überwacht und gesteuert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß je Gruppe nur eine einzige Monitoringschaltung vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Betreiben der Entladungslampen mittels niedriger geregelter Zwischenkreis-Gleichspannung im Tiefsetzsteller-Verfahren je nach Netzbedingungen ein Hochsetzstellerbetrieb möglich ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die EMV-Filterschaltung auf die ausgangsseitige Festfrequenz der Treiber und die sich ergebende Störstrahlung optimiert ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle Ausgangsspannungen im Bereich zwischen 200 V bis 400 V liefert.
Schaltungsanordnung zum Betreiben von Entladungslampen an ein- oder mehrphasigen Netzen mittels Vorschaltgerät, wobei die Netzspannung über eine Gleichrichteranordnung einem oder mehreren Vorschaltgerät-Halbbrückentreibern zugeführt wird sowie weiterhin netzseitig eine EMV-Filterschaltung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eingangsseitig der Gleichrichteranordnung ein regelbares Gleichspannungs-Netzteil angeschlossen ist, welches mit einem Steuer- und Monitoringbus in Verbindung steht, das Gleichspannungs-Netzteil zu einer Gruppe von elektrisch parallel angeordneten Mehrfach-Vorschaltgeräten führt sowie an jedem Mehrfach Vorschaltgerät mehrere Entladungslampen angeschlossen sind, wobei der Steuer- und Monitoringbus mit den Mehrfach-Vorschaltgeräten in Verbindung steht.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrfach-Vorschaltgeräte einen Wechselrichter aufweisen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichter eine Umschalteinrichtung für Festfrequenz-Betrieb oder Betrieb mit variabler Frequenz aufweisen.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch deren Verwendung zum Ansteuern von Entladungslampen-Mehrfachanwendungen, insbesondere in Solarien.