DE102005020178A1

DE102005020178A1 - Schaltungsvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Lampe

Info

Publication number: DE102005020178A1
Application number: DE102005020178A
Authority: DE
Inventors: Peter Bredemeier
Original assignee: HUECO ELECTRONIC GmbH
Current assignee: Bag Electronics GmbH
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2006-11-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung, ein elektronisches Vorschaltgerät und ein Verfahren zum Schalten eines Lastkreises (6) einer Gasentladungslampe (4). Um das Zündverhalten zu verbessern, wird vorgeschlagen, die Frequenz der Wechselrichterschaltung (8) über eine Frequenzsteuereinheit (10) zu steuern, und zumindest einen Resonanzparameter des Lastkreises (6) über eine Messeinrichtung (12) zu erfassen, derart, dass abhängig von gemessenen Resonanzparametern die Frequenzsteuereinheit (10) die Wechselrichterschaltung (8) ansteuert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsvorrichtung zum Betreiben zumindest einer Lampe, mit einem die Lampe aufweisenden Lastkreis, und mit zumindest einer den Lastkreis mit Wechselstrom speisenden Wechselrichterschaltung. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein elektronisches Vorschaltgerät für Gasentladungslampen, sowie ein Verfahren zum Schalten eines Lastkreises einer Lampe, bei dem der Lastkreis mit Wechselstrom über eine Wechselrichterschaltung gespeist wird.

Gasentladungslampen werden heutzutage mit Hilfe von elektronischen Vorschaltgeräten (EVG) betrieben. Die elektronischen Vorschaltgeräte erzeugen in den Gasentladungslampen einen Vorheizstrom zum Vorheizen der Wendel, einen Zündstrom zum Zünden der Gasentladung, sowie einen Betriebsstrom zum Betreiben der Lampe. Zum Ansteuern der Gasentladungslampe werden herkömmlicherweise Halbbrückenwechselrichter eingesetzt. An die Halbbrückenwechselrichter sind Lastkreise angeschlossen, die neben der einen oder den mehreren Lampen induktive und kapazitive Elemente aufweisen, die eine Lastkreisresonanzfrequenz vorgeben.

Als Treiberschaltung für die Halbbrückenwechselrichter wurden in der Vergangenheit mitgekoppelte Steuerschaltungen eingesetzt. Diese Steuerschaltungen sind über eine magnetische Kopplung mit einer Lastinduktivität im Lastkreis magnetisch verkoppelt. Durch diese Verkopplung ergibt sich eine Rückkopplung zwischen den Resonanzbedingungen im Lastkreis und der Steuerschaltung für den Halbbrückenwechselrichter. In Abhängigkeit von dieser Rückkopplung wird die Frequenz des Halbbrückenwechselrichters eingestellt. Nachteilig bei diesen selbststeuernden Schaltungen ist der erhöhte Bauteileinsatz. Darüber hinaus eignen sich solche magnetischen Verkopplungen nicht für den Einsatz von integrierten Schaltkreisen für die Steuerung der Frequenz der Halbbrückenwechselrichter.

Neben den selbstgesteuerten Halbbrücken sind auch fremdgesteuerte, frequenzgesteuerte Halbbrücken bekannt geworden. Bei diesen wird über einen integrierten Schaltkreis (IC) das Schaltintervall der Halbbrücke gesteuert. Die Schaltfrequenz der Halbbrücke wird, gesteuert durch den IC, in der Zündphase an die Resonanzfrequenz des Lastkreises herangeführt. Durch Veränderung der Schaltfrequenz der Halbbrücke erfolgt eine Steuerung der Spannung im Lastkreis. Diese Steuerung funktioniert jedoch nur solange, bis die Resonanzinduktivität in ihre Sättigung geht.

Innerhalb der Sättigung entstehen Spannungsspitzen im Resonanzkreis. Diese Spannungsspitzen treten sehr kurzfristig und mit steilen Flanken auf. Diese führt zu schnellen Stromanstiegen im Lastkreis. Die schnellen Stromanstiege erfordern eine schnelle Regelung, welche mit herkömmlichen Verfahren nicht ausreichend zur Verfügung gestellt werden kann. Die Trägheit der Regelung führt dazu, dass die Ströme im Lastkreis über einen längeren Zeitraum hoch sind und Bauteile bei zu kleiner Dimensionierung zerstört werden.

Um zu verhindern, dass die Resonanzinduktivität in Sättigung geht, ist es bei den herkömmlichen, fremdgesteuerten Halbbrücken notwendig, die Resonanzinduktivität auf den Zündbetrieb zu dimensionieren. Da im Zündbetrieb jedoch erheblich höhere Spannungen und Ströme im Lastkreis fließen, muss die Resonanzinduktivität groß dimensioniert werden. Da die Windungszahl direkt proportional zum Spitzenstrom ist, werden entsprechend große Induktivitäten benötigt.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Überdimensionierung der Resonanzinduktivität zu verhindern. Eine weitere Aufgabe besteht in der Reduzierung der Baugröße und der Kosteneinsparung für elektronische Vorschaltgeräte.

Diese Aufgabe wird gemäß eines Ausführungsbeispiels durch eine Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.

Die zu betreibende Lampe ist vorzugsweise eine Gasentladungslampe, bevorzugt eine Niederdruck-Gasentladungslampe. Die Gasentladungslampe ist gemäß dieses Ausführungsbeispiels im Lastkreis angeordnet. Der Lastkreis wird mit Wechselstrom beaufschlagt. Für die Beaufschlagung des Lastkreises mit Wechselstrom ist eine Wechselrichterschaltung vorgesehen. Die Wechselrichterschaltung wird gemäß dieses Ausführungsbeispiels durch eine Frequenzsteuereinheit angesteuert. Die Frequenzsteuereinheit ist magnetisch nicht mit dem Lastkreis gekoppelt. Die Frequenzsteuereinheit prägt in die Wechselrichterschaltung eine Schaltfrequenz, wodurch ein Strom mit einer bestimmten Frequenz in den Lastkreis eingeprägt wird. Durch Einstellung der Schaltfrequenz der Wechselrichterschaltung lässt sich der Lastkreis in die Resonanz führen. Je nach Betriebszustand der Lampe kann über die Frequenzsteuereinheit eine entsprechende Frequenz in die Wechselrichterschaltung eingeprägt werden.

Zum Zünden der Lampe wird der Lastkreis in die Resonanz geführt. Hierzu nähert sich die eingeprägte Frequenz der Resonanzfrequenz des Lastkreises. Über eine Messeinrichtung wird im Lastkreis zumindest ein Resonanzparameter erfasst. Dieser Resonanzparameter kann eine Resonanzspannung als auch ein Resonanzstrom sein. Vorzugsweise wird der Resonanzparameter als Resonanzspannung am Ausgang des Lastkreises erfasst.

Bevorzugt ist, dass nur der Wechselanteil der Resonanzspannung erfasst wird und Gleichanteile über einen Koppelkondensator ausgekoppelt werden.

Die Messeinrichtung ist derart mit der Frequenzsteuereinheit verschaltet, dass in Abhängigkeit von den gemessenen Resonanzparametern die Wechselrichterschaltung angesteuert wird. Die gemessenen Resonanzparameter bewirken in der Frequenzsteuereinheit eine Veränderung der Frequenz mit der die Wechselrichterschaltung geschaltet wird. Tritt eine Strom- und/oder Spannungsüberhöhung im Lastkreis auf, so kann dies über die Messeinrichtung erfasst werden und durch eine Rückkopplung kann die Frequenz der Wechselrichterschaltung verändert werden. Durch eine Veränderung der Frequenz kann eine Resonanz im Lastkreis aufgelöst werden, was zu einer Verringerung der Spitzenspannung und des Spitzenstroms im Lastkreis führt. Auch kann das Zuführen von weiterer Energie in den Lastkreis durch Abschalten der Schalteinrichtungen unterbunden werden. Der Lastkreis schwingt dann über Freilaufdioden aus.

Bevorzugt ist, wenn die Frequenzsteuereinheit ein integrierter Schaltkreis ist. Der integrierte Schaltkreis kann derart gestaltet sein, dass mit ihm eine Schaltfrequenz in die Wechselrichterschaltung eingeprägt werden kann. Insbesondere ist es möglich, Tastzeiten von Schalteinheiten der Wechselrichterschaltung zu verändern. Insbesondere ist es möglich, das Tastverhältnis der Wechselrichterschaltung zu verändern.

Ein Anteil der Resonanzspannung kann beispielsweise über einen Spannungsteiler abgegriffen werden. Über eine Zehnerdiode kann beispielsweise eine Ansteuerung des integrierten Schaltkreises geschaltet werden. Wird beispielsweise ein Anteil der Resonanzspannung zu hoch, kann über die Zehnerdiode die an dem integrierten Schaltkreis anliegende Spannung reduziert werden, was dazu führt, dass der integrierte Schaltkreis eine andere Frequenz oder ein anderes Tastverhältnis in die Wechselrichterschaltung einprägt, wodurch die Spannung im Lastkreis reduziert wird.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein elektronisches Vorschaltgerät für Gasentladungslampen mit einer oben beschriebenen Schaltungsvorrichtung.

Ein anderer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schalten eines Lastkreises einer Lampe nach einem Verfahren gemäß Anspruch 15.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den nachgeordneten Patentansprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer ein Ausführungsbeispiel zeigenden Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen
1 eine erste Schaltungsvorrichtung zum Ansteuern einer Gasentladungslampe;
2 eine Schaltungsvorrichtung nach 1 mit einer Messeinrichtung.
1 zeigt eine Schaltungsvorrichtung 2 zum Betreiben einer Hochdruckgasentladungslampe 4. Die Schaltungsvorrichtung 2 ist im Wesentlichen gebildet aus einem Lastkreis 6, einer Wechselrichterschaltung 8 und einer Frequenzsteuereinheit 10.
Der Lastkreis 6 ist gebildet aus einer Resonanzimpedanz 16 und einer Resonanzkapazität 18. Die Induktivität 16 und die Kapazität 18 bilden zusammen einen Serienschwingkreis, über den die Betriebszustände der Lampe 4 gesteuert werden können. Die Lampe 4 ist über den Koppelkondensator 20 mit dem Serienresonanzkreis verbunden. Der Koppelkondensator 20 koppelt Gleichanteile aus der am Anschluss 22 anliegenden Spannung aus.
Der Lastkreis 6 wird getrieben durch eine Wechselrichterschaltung 8, die als Halbbrücke gebildet ist. Die Wechselrichterschaltung 8 ist gebildet aus 2 MOSFET-Transistoren 14 und parallel dazu geschalteten Freilaufdioden 28. Die Wechselrichterschaltung 8 wird getrieben durch die Frequenzsteuereinheit 10. Durch die Frequenzsteuereinheit 10 werden die MOSFET-Transistoren 14 wechselweise geschaltet. Durch das wechselweise Schalten der MOSFET-Transistoren 14 kann eine Frequenz in den Lastkreis 6 eingeprägt werden.
Eine Messung von Resonanzparametern ist am Abgriff 24 und am Abgriff 22 möglich. Die Messeinrichtung 12 greift in dem gezeigten Fall am Abgriff 22 die entkoppelte Spannung im Serienresonanzkreis ab. Dies könnte auch am Abgriff 24 geschehen. Abhängig vom gemessenen Spannungswert kann die Frequenzsteuereinheit 10 angesteuert werden. Über eine Ansteuerung 26 ist es möglich, die Frequenzsteuereinheit 10 so anzusteuern, dass die MOSFET-Transistoren 14 gänzlich abgeschaltet werden. Dies kann im Fall einer Fehlfunktion notwendig sein. Über den Abgriff 28 kann die Frequenzsteuereinheit 10 derart angesteuert werden, dass der MOSFET 14a entgegen dem üblichen Tastverhältnis vorzeitig abgeschaltet wird. Das Tastverhältnis zwischen den Tastzeiten der MOSFET-Transistoren 14 kann verändert werden. Auch kann die Frequenz der Tastung der MOSFET-Transistoren 14 geändert werden. Bevorzugt ist, wenn bei einer gemessenen Spannungsüberhöhung der MOSFET 14a vorzeitig abgeschaltet wird, so dass keine weitere Energie in den Lastkreis 6 eingeprägt wird.
Im Betrieb kann eine 400 Volt Gleichspannung an den Wechselrichter 8 angelegt. Zunächst schaltet die Frequenzsteuereinheit 10 den MOSFET 14a. Strom fließt über den MOSFET 14a, die Induktivität 16 und die Kapazität 18. Dann wird der MOSFET 14a abgeschaltet und der MOSFET 14b eingeschaltet. Die Stromrichtung im Lastkreis dreht sich und Strom fließt über den MOSFET 14b Richtung Masse. Durch das Ein- und Ausschalten der MOSFET 14 wird eine Frequenz in den Resonanzkreis gebildet aus Induktivität 16 und Kapazität 18 eingeprägt. Die Frequenz wird über die Frequenzsteuereinheit 10 verändert und in Richtung der Resonanzfrequenz bewegt.
Die im Resonanzkreis anliegende Spannung erhöht sich, je näher die eingeprägte Frequenz sich der Resonanzfrequenz nähert. Zu einem gewissen Zeitpunkt ist die Spannung ab Abgriff 22 groß genug, so dass die Lampe 4 zündet. In diesem Fall kommt es zu einem abrupten Spannungsabfall beim Anschluss 22 und der Lastkreis befindet sich im Betriebszustand.
Zum Einschalten wird die Lampe 4 über eine nicht näher beschriebene Schaltung vorgeheizt. Danach wird der Lastkreis in seine Resonanz gebracht, so dass die Lampe 4 zündet, wonach die Lampe 4 im Betriebszustand ist.
Das zum Zünden der Lampe 4 benötigte Erhöhen der Spannung kann dazu führen, dass die Induktivität 16 in Sättigung geht. In diesem Fall kommt es zu einem nichtlinearen Verhältnis zwischen Spannung und Strom im Lastkreis. Die von der Frequenzsteuereinheit eingesetzte Stromsensierung zur Frequenzregelung arbeitet in diesem Fall zu träge und nicht genau genug. Aus diesem Grunde wird die Spannung am Abgriff 22 durch die Messeinrichtung 12 gemessen und im Fall einer Spannungsüberhöhung kann unmittelbar auf die Frequenzsteuereinheit 10 eingewirkt werden.
Die Frequenzsteuereinheit 10 ist bevorzugt ein integrierter Schaltkreis, insbesondere ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) zum Ansteuern von Gasentladungslampen. Dieser integrierte Schaltkreis verfügt über eine integrierte Frequenzsteuerung, mit deren Hilfe eine Spannungsüberhöhung im Lastkreis detektiert werden kann. Diese beruht jedoch auf einer Stromsensierung in der Halbbrücke 8 und ist träge. Dies kann dazu führen, dass aufgrund der Spannungsüberhöhung die Induktivität 16 oder die Kapazität 18 zerstört wird. Eine besonders schnelle Reaktion auf Spannungsüberhöhung ermöglicht die erfindungsgemäße Messeinrichtung.
2 zeigt die Schaltungsvorrichtung 2 entsprechend 1 mit einer Messeinrichtung 12 gemäß eines Ausführungsbeispiels.
Die Messeinrichtung 12 greift über den Anschluss 22 die Spannung im Lastkreis 6 ab. Über den Spannungsteiler 30 wird ein Bruchteil dieser Spannung abgegriffen. Ein Kondensator 34 koppelt Gleichspannungsteile aus und ein Spannungsteiler 32 ermöglicht das Abgreifen eines Bruchteils der ausgekoppelten Spannung.
Die Frequenzsteuereinheit 10 wird am Abgriff 28 derart angesteuert, dass die Spannung am Abgriff 28 die Tastdauer für den MOSFET 14a einstellt. Verringert sich die Spannung am Abgriff 28, so verkürzt sich Schaltzeit für den MOSFET 14a.
Über die Messeinrichtung 12 wird die Spannung am Abgriff 22 gemessen. Unterschreitet die negative Halbwelle der am Abgriff 22 gemessenen Spannung einen bestimmten Wert, so liegt über dem Widerstand 32b eine negative Grenzspannung an, bei der die Zehnerdiode 38 durchschaltet. Sobald die Zehnerdiode 38 durchschaltet, werden die Zustandsparameter, beispielsweise Strom oder Spannung, am Abgriff 28 verändert, so dass die Tastzeit für den MOSFET 14a sofort verkürzt wird. Dies bewirkt, dass der MOSFET 14a abgeschaltet wird und keine weitere Energie in den Lastkreis 6 eingeprägt wird.
Über die Diode 36 werden die positiven Halbwellen am Abgriff 22 für den Abgriff 28 ausgeblendet.
Die über den Spannungsteiler 30 am Abgriff 26 anliegende Spannung ermöglicht eine Sicherheitsabschaltung. Diese Sicherheitsabschaltung kann neben der Veränderung der in die Wechselrichterschaltung 8 eingeprägten Frequenz genutzt werden, um den Betrieb des elektronischen Vorschaltgerätes zu verbessern. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen in einer Reduzierung der Verlustleistung, da die Induktivität 16 kleiner dimensioniert werden kann. Die ohmschen Verluste und die Streufeldverluste in der Induktivität 16 werden verringert. Durch eine kleine Dimensionierung der Induktivität 16 kommt es zu einer Reduzierung deren Baugröße sowie zu Kosteneinsparungen.

Claims

Schaltungsvorrichtung zum Betreiben zumindest einer Lampe (4), insbesondere einer Gasentladungslampe (4), – mit einem die Lampe (4) aufweisenden Lastkreis (6), und – mit zumindest einer den Lastkreis (6) mit Wechselstrom speisenden Wechselrichterschaltung (8), gekennzeichnet durch – eine die Wechselrichterschaltung (8) ansteuernde Frequenzsteuereinheit (10), und – zumindest eine Resonanzparameter des Lastkreises (6) erfassende Messeinrichtung (12), – wobei die Messeinrichtung (12) derart mit der Frequenzsteuereinheit (10) in Wirkverbindung steht, dass abhängig von gemessenen Resonanzparametern die Wechselrichterschaltung (8) angesteuert wird.
Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (12) zum Erfassen einer Spannung im Lastkreis (6) eingerichtet ist.
Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (12) zum Erfassen eines Stroms im Lastkreis (6) eingerichtet ist.
Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzsteuereinheit (10) ein integrierter Schaltkreis ist.
Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzsteuereinheit (10) zum Einprägen einer Schaltfrequenz in die Wechselrichterschaltung (8) eingerichtet ist.
Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichterschaltung (8) zumindest eine Schalteinheit (14a, b) aufweist.
Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (14a, b) ein Schalttransistor ist.
Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichterschaltung (8) eine Halbbrücke ist.
Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (12) derart mit der Frequenzsteuereinheit (10) in Wirkverbindung steht, dass die Schaltzeit zumindest einer Schalteinheit (14a, b) in Abhängigkeit von den Resonanzparametern einstellbar ist.
Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzsteuereinheit (10) zum Verändern des Tastverhältnisses der Schalteinheit (14a, b) eingerichtet ist.
Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (12) bei einer Überhöhung der Resonanzspannung im Lastkreis (6) die Frequenzsteuereinheit (10) ansteuert.
Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (12) die Frequenzsteuereinheit (10) über einen Spannungsteiler (30, 32) und ein Schaltelement (38) ansteuert.
Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (12) den negative Anteil der Resonanzspannung auswertet.
Elektronisches Vorschaltgerät für Gasendladungslampen mit einer Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1.
Verfahren zum Schalten eines Lastkreises (6) einer Lampe (4) bei dem – der Lastkreis (6) mit Wechselstrom über eine Wechselrichterschaltung (8) gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, – dass die Frequenz der Wechselrichterschaltung (8) über eine Frequenzsteuereinheit (10) gesteuert wird, und – dass zumindest ein Resonanzparameter des Lastkreises (6) über eine Messeinrichtung (12) erfasst wird, derart, – dass abhängig von gemessenen Resonanzparametern die Frequenzsteuereinheit (10) die Wechselrichterschaltung (8) ansteuert.