DE102005025682B4

DE102005025682B4 - Vorrichtung zur Ansteuerung von Leuchtstofflampen in einer Beleuchtungsanordnung

Info

Publication number: DE102005025682B4
Application number: DE102005025682A
Authority: DE
Inventors: Jürgen ADAM
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2005-06-03
Filing date: 2005-06-03
Publication date: 2010-04-22
Anticipated expiration: 2025-06-04
Also published as: JP2006339143A; US7397200B2; US20060273743A1; CN1942041A; DE102005025682A1

Abstract

Vorrichtung zur Ansteuerung einer Mehrzahl von Leuchtstofflampen (10) in einer Beleuchtungsanordnung, wobei die Vorrichtung für jede einzelne Leuchtstofflampe der Beleuchtungsanordnung folgende Merkmale aufweist:
Ein kapazitiver Spannungsteiler aus einem ersten Kondensator (C1; C11, C12) und einem zweiten Kondensator (C2; C21, C22), die zu der Leuchtstofflampe (10) in Reihe geschaltet sind,
ein Schalter (14; 28), der zu einem der Kondensatoren (C1, C2; C11, C12; C21, C22) parallel geschaltet ist,
Mittel (26) zum Erfassen des momentanen Lampenstromes, der durch die Leuchtstofflampe (10) fließt, und
ein Steuerschaltkreis zum Erzeugen eines Stellsignals für den Schalter (14; 28) in Abhängigkeit von der ermittelten Differenz des momentanen Lampenstromes (Lampenstrom-Istwert) und des Mittelwertes des Stromes aller angeschlossenen Lampen (Lampenstrom-Sollwert).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung von Leuchtstofflampen in einer Beleuchtungsanordnung. Die Leuchtstofflampe ist insbesondere eine Kaltkathodenstrahlröhre, die zum Beleuchten von Anzeigen verwendet wird.
Leuchtstofflampen werden als Hintergrundbeleuchtung (Backlight) in Flüssigkristallanzeigen (LC-Anzeigen) verwendet, beispielsweise für Computer-Bildschirme. Ähnliche Hintergrund beleuchtungen findet man auch in anderen Arten von Anzeigen in einem weiten Anwendungsbereich, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, beleuchteten Werbetafeln und dergleichen.
Für die Hintergrundbeleuchtung von LCD-Bildschirmen werden allgemein Kaltkathodenstrahlröhren eingesetzt. Sie haben den Vorteil, geringe Wärmemengen zu erzeugen, haben eine relativ lange Lebensdauer und einen hohen Wirkungsgrad. Ferner sind die Elektrodenstrukturen einfach, so daß sehr kleine Kaltkathodenstrahlröhren hergestellt werden können, die auch in kleinen Flüssigkristallanzeigen einsetzbar sind.
Eine Kaltkathodenstrahlröhre umfaßt eine Röhre mit einem Hochspannungsanschluß an einem ersten Ende der Röhre und einem Niederspannungsanschluß an dem zweiten Ende der Röhre. Der Hochspannungsanschluß wird mit einer hochfrequenten Wechselspannung versorgt, wobei eine übliche Versorgungsspannung eine Frequenz von etwa 50 bis 100 kHz und eine Amplitude von etwa 500 bis 1000 V haben kann. Der Niederspannungsanschluß ist in der Regel mit Masse verbunden. Es ist jedoch auch möglich, die beiden Anschlüsse der Kaltkathodenstrahlröhre mit um 180° zueinander verschobenen (nicht invertierte und invertierte) Wechselspannungen zu verbinden, wobei sich dann etwa in der Mitte der Röhre eine virtuelle Masse ergibt. Dies ist insbesondere bei besonders langen Röhren zweckmäßig.
Ein Leistungsmerkmal von LC-Anzeigen ist eine möglichst gleichmäßige Ausleuchtung der gesamten Anzeigenfläche. Je nach Größe des Bildschirms werden für die Hintergrundbeleuchtung zwei bis 16 oder auch mehr Kaltkathodenstrahlröhren eingesetzt. Die Lampen werden parallel zueinander, vertikal übereinander angeordnet, und ihr Licht wird über einen Reflektor sowie über eine Diffusorplatte auf eine Flüssigkristallplatte verteilt. Für eine möglichst gleichmäßige Helligkeitsverteilung müssen sowohl die einzelnen Lampen gleich hell brennen als auch jede einzelne Lampe selbst über ihre Länge gleichmäßig helles Licht abgeben. Eine ungleiche Helligkeitsverteilung zwischen einzelnen Lampen aufgrund von Fertigungstoleranzen ist möglich und kann durch Selektion während des Fertigungsprozesses in gewissem Maße kontrolliert werden.
Kaltkathodenstrahlröhren in Flüssigkristallanzeigen werden mit einer hochfrequenten Wechselspannung über einen Wechselrichter, einen so genannten Backlight-Inverter, versorgt. Ein Reflektor richtet das von den Lampen emittierte Licht auf eine Diffusorplatte, welche es auf eine Flüssigkristallplatte lenkt und verteilt. Die Flüssigkristallplatte ist in der Regel zwischen zwei Polarisationsplatten eingefügt. Die gesamte Anordnung ist in einem Rahmen gehalten. Kaltkathodenstrahlröhren haben einen negativ inkrementellen Widerstand. Bis zum Erreichen der Zündspannung fließt ein Strom mit nur sehr geringer Stromstärke durch die Lampe. Danach wächst die Stromstärke schnell an, wobei die Spannung abfällt. Um den negativ inkrementellen Widerstand der Leuchtstoffröhre auszugleichen, wird sie im Stand der Technik häufig mit einem Kondensator in Reihe geschaltet, um insgesamt einen positiv inkrementellen Widerstand zu erzeugen und die Schaltung zu stabilisieren. Dieser Serienkondensator wird auch als „Ballast” bezeichnet, er wird jeweils angepaßt an den Widerstand der Leuchtstoffröhre ausgewählt. Aufgrund von Fertigungstoleranzen haben verschiedene Leuchtstoffröhren, die in einer Beleuchtungsanordnung parallel geschaltet werden, unterschiedliche Widerstände, die dazu führen, daß der effektive Lampenstrom der verschiedenen Leuchtstoffröhren unterschiedlich ist, was eine ungleichmäßige Helligkeitsverteilung bewirkt. Dieses Problem verstärkt sich in dem Fall, daß die Helligkeit der Leuchtstofflampe durch analoges Dimmen zurückgenommen wird.
Das Paten US 6,670,781 B2 betrifft die Ansteuerung von Kaltkathodenstrahlröhren für LC-Anzeigen und befaßt sich mit dem Problem, daß diese Lampen, insbesondere bei analogem Dimmen, eine ungleiche Helligkeit abgeben und flackern. Zur Lösung dieses Problems schlägt das Patent US 6,670,781 B2 ein neues Ansteuerverfahren für Leuchtstofflampen vor, welches eine vorgegebene Anzahl von Stromimpulsen verwendet.
Weitere Leuchtstofflampen und insbesondere Kaltkathodenstrahlröhren für Flüssigkristallanzeigen sowie zugehörige Ansteuervorrichtungen sind zum Beispiel beschrieben in den Patent US 6,538,373 B2 und US 6,108,215 A .
Die japanische Patentanmeldung JP 2002-352974 A und das zugehörige Patent Abstract beschreiben eine Vorrichtung zur Ansteuerung von Kaltkathodenstrahlröhren in einer Beleuchtungsanordnung mit mehreren solchen Kaltkathodenstrahlröhren, wobei der durch jede Kaltkathodenstrahlröhre fließende Strom gesteuert wird. Der durch die Röhren fließende Strom wird erfaßt und über Gleichrichterschaltkreise in einen Mikrocomputer eingegeben. Der Mikrocomputer erzeugt abhängig von den erfaßten Röhrenströmen PWM-Steuersignale zur Ansteuerung von Transistoren zur Steuerung des Röhrenstroms. Die Kaltkathodenstrahlröhren sind mit Widerständen in Reihe geschaltet, welche durch die Transistoren überbrückt werden. Die Serienwiderstände erzeugen zusätzliche Verluste in der Schaltungsanordnung.
Die US 6,420,839 B1 offenbart zwei alternative Vorrichtungen zur Ansteuerung von Leuchtstofflampen in einer Beleuchtungsanordnung. Bei der ersten Vorrichtung wird bei der Ansteuerung zwischen einer Masterlampe und einer oder mehrerer Slavelampen unterschieden. Nur die Slavelampe oder Slavelampen umfassen einen kapazitiven Spannungsteiler aus einem ersten Kondensator und einem zweiten Kondensator, die zu der Slave-Leuchtstofflampe in Reihe geschaltet sind, einen Schalter, der zu einem der Kondensatoren parallel geschaltet ist, Mittel zum Erfassen des momentanen Lampenstroms, der durch die Slave-Leuchtstofflampe fließt, und einen Steuerschaltkreis zum Erzeugen eines Stellsignals für den Schalter in Abhängigkeit von dem momentanen Lampenstrom und dem Lampenstrom einer Masterlampe. Die zweite offenbarte Vorrichtung umfaßt zwei Leuchtstofflampen, die gleichberechtigt sind. Die Ströme durch die beiden Lampen werden durch einen Strom-Ausgleichs-Schaltkreis aneinander angeglichen. Die zweite Ausführungsform umfaßt aber keinen Steuerschaltkreis zum Erzeugen eines Stellsignals in Abhängigkeit von einem Lampenstrom-Sollwert.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Beleuchtungsanordnung anzugeben, die mehrere Leuchtstofflampen und insbesondere Kaltkathodenstrahlröhren aufweist, die sowohl im Normalbetrieb als auch über einen weiten Dimmbereich eine gleichmäßige Helligkeit abgeben.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Die Erfindung sieht eine Vorrichtung zur Ansteuerung von Leuchtstofflampen einer Beleuchtungsanordnung vor, die mehrere solche Leuchtstofflampen aufweist. Die Ansteuerung umfaßt für jede Leuchtstofflampe einen kapazitiven Spannungsteiler aus einem ersten und einem zweiten Kondensator, die zu der Leuchtstofflampe in Reihe geschaltet sind, einen Schalter, der zu einem der Kondensatoren parallel geschaltet ist, Mittel zum Erfassen des momentanen Lampenstroms, der durch die Leuchtstofflampe fließt, und einen Steuerschaltkreis zum Erzeugen eines Stellsignals für den Schalter abhängig von dem momentanen Lampenstrom. Der Schalter überbrückt einen der Kondensatoren, so daß die Spannung über der Leuchtstofflampe durch Schließen und Öffnen des Schalters verändert werden kann, um den Lampenstrom in der Leuchtstofflampe einzustellen. In der Beleuchtungsanordnung werden die den jeweiligen Leuchtstofflampen zugeordneten Schalter so betrieben, daß die einzelnen Lampenströme gleich sind und die Leuchtstofflampen somit dieselbe Helligkeit erzeugen. Da ein kapazitiver Spannungsteiler verwendet wird, entstehen bei offenem Schalter nahezu keine oder lediglich vernachlässigbare Verluste über dem Kondensator. Die geringe Verlustleistung hat neben der Energieeinsparung den zusätzlichen Vorteil, daß der Kondensator selbst in SMD-Technik durch ein einzelnes, kleines Bauteil realisiert werden kann. Bei Verwendung eines Ohm'schen Spannungsteilers würden dagegen an den Widerständen erheblich höhere Verluste erzeugt werden, welche die Aufteilung der Spannungsbelastung auf mehrere Widerstände erfordern könnten. Das Vorsehen eines kapazitiven Spannungsteilers, der mit der Leuchtstofflampe in Reihe geschaltet ist, hat ferner den Vorteil, daß der zweite Kondensator als zusätzlicher ”Ballast” für die Leuchtstoffröhre wirkt und einen weiteren Beitrag zur Stabilisierung der Kennlinie der Leuchtstoffröhre liefert. Der erste Kondensator des kapazitiven Spannungsteilers entspricht zweckmäßig dem Kondensator, der zur Stabilisierung der Kennlinie der Leuchtstoffröhre mit dieser in Reihe geschaltet wird, wie im Stand der Technik bekannt ist.
Der Schalter ist vorzugsweise ein Halbleiterschalter und insbesondere ein MOSFET oder ein bipolarer Transistor.
Der Steuerschaltkreis der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt einen Regelverstärker, der einen Lampenstrom-Istwert und einen Lampenstrom-Sollwert als Eingangssignale empfängt und ein Lampenstrom-Fehlersignal ausgibt. Dieses Fehlersignal dient zur Erzeugung des Stellsignals zur Ansteuerung des Schalters, um den Lampenstrom zu regeln.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung umfaßt der Steuerschaltkreis ferner eine Vergleicherschaltung, die zwischen dem Regelverstärker und dem Schalter angeschlossen ist und abhängig von dem Lampenstrom-Fehlersignal des Regelverstärkers und einem periodischen Rampensignal das Stellsignal für den Schalter erzeugt. Das periodische Rampensignal ist vorzugsweise das Ausgangssignal eines Burstgenerators, wie er im Stand der Technik an und für sich bekannt ist. Burstgeneratoren werden bei der Ansteuerung von Leuchtstofflampen zum Dimmen der Lampe verwendet. Sie erzeugen ein Rampensignal mit einer Burstfrequenz, das dazu genutzt wird, die Versorgungsspannung der Leuchtstofflampe ein- und auszuschalten. Das Verhältnis von Ein- und Ausschaltzeit bestimmt den Dimmungsgrad der Leuchtstofflampe.
Die Erfindung nutzt somit vorteilhaft das Rampensignal des Burstgenerators, der in Ansteuerschaltungen für Leuchtstofflampen des Standes der Technik in der Regel vorhanden ist, um eine Feinregelung des Lampenstroms vorzunehmen. Dabei erzeugt der Vergleicher, der als Eingangssignal das Rampensignal des Burstgenerators sowie das Lampenstrom-Fehlersignal erhält, ein PWM-Signal als Stellsignal für den Schalter.
Während der Burstgenerator in Ansteuerschaltungen für Leuchtstofflampen des Standes der Technik zum Dimmen der Lampe so eingesetzt wird, daß er die Versorgungsspannung der Leuchtstofflampe zwischen 0 und 100% ihres Maximalwertes ein- und ausschaltet, wird das Rampensignal erfindungsgemäß zur Steuerung bzw. Regelung des Lampenstroms in einem Bereich von beispielsweise 10%, oder +/– 5%, der Versorgungsspannung verwendet, um sicherzustellen, daß mehrere parallel geschaltete Leuchtstofflampen den gleichen Lampenstrom führen und somit die gleiche Helligkeit erzeugen.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist eine Lampenstrom-Erfassungsschaltung vorgesehen, die mit der Leuchtstofflampe in Reihe geschaltet ist und den Lampenstrom-Istwert ableitet. Die Lampenstrom-Erfassungsschaltung kann auf im Stand der Technik an und für sich bekannter Weise aufgebaut sein.
Erfindungsgemäß ist vorzugsweise ferner eine Gesamtstrom-Erfassungsschaltung vorgesehen, die den durch alle Leuchtstofflampen fließenden Strom erfaßt und einen Lampenstrom-Mittelwert bildet, der als Lampenstrom-Sollwert verwendet wird. Dadurch wird der Lampenstrom-Sollwert auf besonders einfacher Weise erzeugt wobei gleichwohl das Ziel der Erfindung erreicht wird, daß sämtliche Lampen mit gleicher Helligkeit leuchten.
Ansteuervorrichtungen für Leuchtstofflampen weisen in der Regel eine Schaltstufe und einen Transformator auf, der eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung umfaßt. In der bevorzugten Ausführung der Erfindung, ist die Gesamtstrom-Erfassungsschaltung mit der Sekundärwicklung des Transformators in Reihe geschaltet und erfaßt den Transformatorrückstrom, der durch die Sekundärwicklung fließt. Dies entspricht dem durch sämtliche Leuchtstofflampen fließenden Gesamtstrom mit ausreichender Genauigkeit.
Der kapazitive Spannungsteiler der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorzugsweise so angeordnet, daß ein erster Kondensator stromaufwärts und ein zweiter Kondensator stromabwärts der Leuchtstofflampe angeschlossen sind. Der erste Kondensator entspricht dem sogenannten ”Ballastkondensator”, der aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt ist, um die negative Kennlinie der Leuchtstofflampe in eine positive Kennlinie umzuwandeln. Der Schalter ist vorzugsweise zu dem zweiten Kondensator parallel geschaltet, wobei das Kapazitätsverhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensator beispielsweise ungefähr 1:5 beträgt. Durch die so gewählte Dimensionierung kann sichergestellt werden, daß an dem zweiten Kondensator und dem Schalter eine nicht zu hohe Spannung abfällt, so daß der zweite Kondensator beispielsweise durch einen 400 V-Kondensator realisiert werden kann. Dieselbe Spannungsbelastbarkeit gilt auch für den Schalter, der vorzugsweise als MOSFET ausgeführt ist.
Das Kapazitätsverhältnis des Spannungsteilers bestimmt ferner den Spannungsbereich der Leuchtstofflampe, z. B. 10% der Maximal-Spannung, der durch die Erfindung ausgegeben werden kann.
Die Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführung mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:
1 einen Schaltplan zur Erläuterung des der Erfindung zugrundeliegenden Konzeptes;
2 ein Blockschaltbild der Vorrichtung zum Ansteuern von Leuchstoffröhren in einer Beleuchtungsanordnung gemäß der Erfindung;
3 einen detaillierterer Schaltplan der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
4 ein Zeitablaufdiagramm von Signalen, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung auftreten.
1 zeigt einen Schaltplan zur Erläuterung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips. Die Schaltung umfaßt eine Leuchtstofflampe 10, insbesondere eine Kaltkathodenstrahlröhre, die aus einem Transformator 12 über eine kapazitive Serienschaltung gespeist wird. Die kapazitive Serienschaltung umfaßt zwei getrennte Kondensatoren C1, C2, die einen Spannungsteiler bilden. Einer dieser Kondensatoren des Spannungsteilers wird durch einen Schalter 14 überbrückt, der beispielsweise durch Pulsweitenmodulation angesteuert wird, um die Lam penspannung und dadurch den Lampenstrom einzustellen. Auch eine lineare Ansteuerung des Schalters 14 liegt im Bereich der Erfindung.
Bei einer Beleuchtungsanordnung mit mehreren Leuchstofflampen 10 benötigt man lediglich einen Transformator 12 mit einer zugehörigen Schaltstufe und nur die Elemente auf der Sekundärseite, d. h. die Kondensatoren C1, C2 und der Schalter 14, müssen für jede der Leuchtstofflampen getrennt vorgesehen werden. In der Praxis umfaßt die Schaltung ferner Stromerfassungs- und Regelelemente zur Ansteuerung des Schalters 14.
Die Erfindung realisiert eine besonders einfache und kostengünstige Ansteuerung mehrerer Leuchtstofflampen einer Beleuchtungsanordnung derart, daß die Lampenströme der einzelnen Leuchtstofflampen auf ein und denselben Sollwert geregelt werden. Dabei nutzt die Erfindung Komponenten aus, die in Ansteuerschaltungen für Leuchtstofflampen des Standes der Technik an und für sich schon vorhanden sind. Die Erfindung kann mit wenigen zusätzlichen, kostengünstigen Elementen realisiert werden und erzeugt im Vergleich zu einer Ansteuerschaltung ohne Stromregelung der einzelnen Leuchtstofflampen praktisch keine zusätzlichen Verluste.
Während aufgrund von Fertigungstoleranzen Leuchtstoffröhren eine absolute Lampenstrom-Toleranz von ungefähr 10% haben, können diese Abweichungen durch die erfindungsgemäße Ansteuerung auf weniger als 1% reduziert werden, d. h. die Abweichung können bis zu einem Grad verringert werden, der von dem menschlichen Auge nicht mehr wahrnehmbar ist.
2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In 2 sind beispielhaft zwei Leuchtstofflampen 10, L1 und L2, gezeigt, die aus einem Transformator 12 gespeist werden. Die Erfindung ist auf jede beliebige Anzahl von Leuchtstofflampen anwendbar, wobei Anordnungen mit bis zu 16 oder 32 Lampen üblich sind, die Erfindung jedoch auf keine gerade oder ungerade Lampenzahl beschränkt ist. Die Erfindung ist ferner anwendbar auf Leuchtstofflampen unterschiedlicher Länge, beispielsweise im Bereich von 10 cm bis 1 m und darüber hinaus.
Der Transformator 12 wird über eine Schaltstufe angesteuert und versorgt, wie in 2 schematisch durch eine Pulsweitenmodulationsschaltung 16 und eine Brückenschaltung 18 dargestellt ist. Ferner umfaßt die Schaltung einen Burstgenerator 20, der insbesondere zum Dimmen der Leuchtstofflampen 10 dient und aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt ist. Der Ausgang des Burstgenerators 20 ist mit einem Eingang der Pulsweitenmodulationsschaltung 16 verbunden, wobei ein weiterer Eingang ein Stromsummensignal I_Σ empfängt, das von der Sekundärseite des Transformators 12 abgeleitet wird. Dieses Strom-Summensignal I_Σ entspricht im wesentlichen dem durch sämtliche Leuchtstofflampen 10 fließenden Gesamtstrom und wird auf die Primärseite des Transformators 12 zurückgeführt, um den Transformator anzusteuern, wie im Stand der Technik grundsätzlich bekannt ist.
Der Burstgenerator 20 erzeugt ein Rampensignal mit einer Burstfrequenz im Bereich von etwa 100 bis 300 Hz, das dazu verwendet werden kann, die Versorgung des Transformators 12 und somit die Leuchtstofflampen 10 ein- und auszuschalten. Das Verhältnis von Ein- und Ausschaltzeit bestimmt den Dimmungsgrad der Leuchtstofflampen. Während der Einschaltzeit wird der Transformator 12 mit einer Betriebsfrequenz im Bereich von 50 bis 100 KHz angesteuert, wobei während der Ausschaltzeit das Ansteuersignal zum Transformator 12 vollständig abgeblockt wird. Dadurch können die Leuchtstofflampen in einem Bereich von 0 bis 100% gedimmt werden.
Auf der Sekundärseite des Transformators 12 ist eine Gesamtstrom-Erfassungsschaltung 22 schematisch durch einen Widerstand dargestellt, über den der Gesamtstrom oder das Stromsummensignal I_Σ erfaßt wird. Dieses Signal wird an eine Mittelungsschaltung 24 angelegt, um einen Strommittelwert I_AV zu erzeugen, der als Lampenstrom-Sollwert für die einzelnen Leuchtstofflampen 10 verwendet wird, wie unten noch näher erläutert ist. Die Mittelungs schaltung 24 teilt das Stromsummensignal durch die Anzahl der Leuchtstofflampen 10 in der Beleuchtungsanordnung, um den Strommittelwert I_AV zu ermitteln, der durch sämtliche Leuchtstofflampen 10 fließen sollte. Dies ist ein besonders einfaches Verfahren zur Erzeugung eines Sollwertes für die Regelung des Stroms durch die einzelnen Leuchtstofflampen 10.
In 2 sind zwei Leuchtstofflampen 10 und zugehörige Ansteuerschaltungen gezeigt. Die erste Leuchtstofflampe L1 ist zwischen einem ersten Kondensator C11 und einem zweiten Kondensator C21 in Reihe geschaltet, und die zweite Leuchtstofflampe L2 ist zwischen einem ersten Kondensator C12 und einem zweiten Kondensator C22 in Reihe geschaltet. Eine Lampenstrom-Erfassungsschaltung 26 für die erste Leuchtstofflampe L1 ist schematisch durch den Widerstand R1 dargestellt, und eine Lampenstrom-Erfassungsschaltung 26 für die zweite Leuchtstofflampe L2 ist schematisch durch einen Widerstand R2 dargstellt. Da die Ansteuerschaltungen für die Leuchtstofflampen L1 und L2 identisch aufgebaut sind, ist im folgenden nur die Ansteuerschaltung für die Leuchtstofflampe L1 beschrieben, wobei für die Ansteuerschaltung der Leuchtstofflampe L2 das gleiche gilt.
Die Leuchtstofflampe 10 ist zwischen den Kondensatoren C11 und C21, die einen kapazitiven Spannungsteiler bilden, in Reihe geschaltet, wobei der zweite Kondensator C21 durch einen Schalter 28 überbrückt ist. In der gezeigten Ausführung ist der Schalter 28 ein MOSFET, er könnte jedoch auch durch jeden anderen Halbleiterschalter, wie einen bipolaren Transistor, oder durch andere Schalterarten realisiert sein. Der Schalter 28 wird, wie mit Bezug auf 1 erläutert, angesteuert, um die Spannung über der Leuchtstofflampe 10 und damit den Lampenstrom I_L1 einzustellen, um die Helligkeit der Leuchtstofflampe zu regulieren. Der Lampenstrom-Istwert I_L1 wird über dem Widerstand R1 erfaßt.
Die Ansteuerung des Schalters 28 kann linear oder diskret, vorzugsweise durch Pulsweitenmodulation, erfolgen, wobei eine bevorzugte Ausführung der Erfindung zur Erzeugung des Ansteuersignals unten beschrieben ist.
In der Praxis beträgt die Zündspannung der Leuchtstofflampe 10 etwa 1000 V effektiv, und das Kapazitätsverhältnis zwischen den Kondensatoren C11 und C21 wird in der Größenordnung von 1:5 liegen. Wenn beispielsweise der Wert des Kondensators C11 22 pF beträgt und der des Kondensators C21 100 pF, dann muß der Kondensator C21 so dimensioniert werden, daß er einen effektiven Spannungsmittelwert von 220 V und einen Spannungsspitzenwert von 311 V aushält. In der Praxis kann hierfür ein Kondensator mit einer Spannungsbelastbarkeit von etwa 400 V gewählt werden.
Mit dem beschriebenen Kapazitätsverhältnis des Spannungsteilers von 1:5 kann eine absolute Toleranz des Lampenstroms von 10%, oder +/– 5%, ausgeglichen werden. Hierbei muß beachtet werden, daß die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung in der Praxis mit möglichst geringem Aufwand aufgebaut wird; in der bevorzugten Ausführung ist sie so gestaltet, daß der Kondensator C21 und der Schalter 28 nur auf eine Halbwelle der Lampenspannung Einfluß haben.
Zur Ansteuerung des Schalters 28 sind ein Vergleicher 30 und ein Fehlerverstärker 32 vorgesehen. Der Fehlerverstärker 32 kann als ein PID-Regelglied realisiert sein, dessen proportionaler (P), integrierender (I) und differenzierender (D) Anteil nach Bedarf einstellbar ist. Der Fehlerverstärker 32 erhält als Eingangssignale den Strommittelwert I_AV, der den Lampenstrom-Sollwert bildet, sowie den aktuellen Lampenstrom I_L1 oder I_L2, und erzeugt ein Stromfehlersignal I_E1, I_E2, das zur Ansteuerung der Schalter 28 dient. In der bevorzugten Ausführung wird das Stromfehlersignal I_E1 bzw. I_E2 einem Eingang des Vergleichers 30 zugeführt, dessen anderer Eingang das Ausgangssignal des Burstgenerators 20 empfangt. Das Ausgangssignal des Burstgenerators 20 ist, wie oben erörtert, ein periodisches Rampensignal mit einer vorgegebenen Burstfrequenz im Bereich von 100 bis einigen Hundert Hz und wird bei Systemen des Standes der Technik zum Dimmen von Leuchtstofflampen eingesetzt wird. In der bevorzugten Ausführung der Erfindung vergleicht der Vergleicher 30 das Rampensignal des Burstgenerators 20 mit dem Stromfehlersignal I_E1 bzw. I_E2 und leitet ein Pulsweitenmodulationssignal PWM₁ bzw. PWM₂ zur Ansteuerung der Schalter 28 ab.
4 zeigt ein Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung der Erzeugung der Pulsweitenmodulationssignale PWM₁ bzw. PWM₂. Das mit Burstsignal bezeichnete periodische Rampensignal entspricht dem Ausgangssignal des Burstgenerators 20. Dieses Signal wird in dem Vergleicher 30 mit dem Stromfehlersignal I_E1 bzw. I_E2 verglichen, um, wie in 4 gezeigt, das Pulsweitenmodulationssignal PWM₁ bzw. PWM₂ abzuleiten. Der Schalter 28 wird dadurch so angesteuert, daß der Lampenstrom I_L1 bzw. I_L2 seinem Sollwert folgt, wobei in der bevorzugten Ausführung der Erfindung Stromabweichungen von bis zu 10% ausgeglichen werden können.
3 zeigt einen Schaltplan für eine praktische Ausführung einer Schaltung zur Ansteuerung einer Leuchtstofflampe gemäß der Erfindung. Korrespondierende Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen wie in den 1 bzw. 2 bezeichnet. In der Darstellung der 3 ist nur ein Kanal der Beleuchtungsanordnung mit einer Leuchtstofflampe 10 dargestellt, wobei der Fachmann verstehen wird, daß eine nahezu beliebige Anzahl weiterer Kanäle hinzugefügt werden kann. Der Transformator 12 bildet einen gemeinsamen Übertrager für sämtliche Ansteuerschaltung der Leuchtstofflampen 10, wobei es auch im Bereich der Erfindung liegt, mehrere Übertrager einzusetzen, wenn die jeweilige Anwendung dies erfordert. Der Transformator 12 wird über eine Schaltstufe versorgt, die mit Bezug auf 2 erläutert wurde. Diese Schaltstufe kann durch einen an sich bekannten integrierten Regelbaustein angesteuert werden, der auch den Burstgenerator 20 (2) umfaßt. Wie oben erörtert, kann mithilfe des Burstgenerators 20 die Leuchtstofflampe durch Ein- und Ausschalten der Versorgungsspannung gedimmt werden. Das periodische Rampensignal des Burstgenerators 20 kann ferner für die diskret aufgebauten Pulsmodulatoren eines jeden Kanals der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung verwendet werden. Hierzu puffert ein Transistor Q1 die Rampenspannung U_Burst des Burstgenerators und gibt sie an den Vergleicher 30 aus.
Der Vergleicher 30 kann beispielsweise durch einen Standard-Komparator vom Typ LM339 von National Semiconductor, Californien, USA realisiert werden.
Der Fehlerverstärker 32 wird mit einem Operationsverstärker, beispielsweise vom Typ LM324 von National Semiconductor, realisiert und ist in der gezeigten Ausführung als ein I-Glied ausgeführt. Er erhält als Eingangssignale den Lampenstrom I_L und den Strommittelwert I_AV und gibt das Stromfehlersignal aus, wie oben beschrieben.
Der Schalter 28 ist so ausgelegt, daß er nur während der positiven Halbwelle des Burstsignals schaltet, wie in 4 gezeigt, wobei die negative Halbwelle durch die interne Body-Diode des MOSFET-Schalters 28 unterdrückt wird. Wenn anstelle eines MOSFET-Schalters beispielsweise ein bipolarer Transistorschalter verwendet wird, wäre eine zusätzliche Diode zur Verarbeitung der negativen Halbwelle notwendig. Auch die Lampenstrom-Erfassungsschaltung 26 arbeitet in der gezeigten Ausführung nur auf der Basis der positiven Halbwelle, wobei die negative Halbwelle durch eine Diode D1 abgeleitet wird. Gleiches gilt für die Gesamtstrom-Erfassungsschaltung 22 zur Erfassung des Stromsummensignals I_Σ, die mit der Sekundärwicklung des Transformators 12 verbunden ist.
Eine Ausführung der Mittelungsschaltung 24 ist in 3 lediglich beispielhaft dargestellt.
Die Verwendung eines kapazitiven Spannungsteilers C1, C2 zur Steuerung des Lampenstroms hat den Vorteil, daß bei geöffnetem Schalter 28 nahezu keine Verlustleistung an dem zweiten Kondensator C2 entsteht. Ferner leistet der Kondensator C2 einen Beitrag zu dem „Ballastkondensator” C1 und trägt somit zur Stabilisierung der Kennlinie der Leuchtstofflampe 10 bei, wie oben erörtert.
Im Vergleich zu einer Anordnung mit Ohm'schem Spannungsteiler ist ferner die erforderliche Transformatorspannung, die über der Lampe 10 erzeugt werden muß, etwas geringer.
Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Ansteuern von Leuchtstofflampen in einer Beleuchtungsanordnung, die eine sehr genaue Regelung aller Lampenströme auf einen Mittelwert erreicht und gleichwohl kostengünstig realisiert werden kann. Für jeden Kanal, d. h. für jede Leuchtstofflampe, sind zusätzlich zu dem, was in einer Ansteuerschaltung nach dem Stand der Technik ohnehin vorhanden ist, lediglich ein Operationsverstärker, der Fehlerverstärker, und ein Vergleicher sowie ein MOSFET oder bipolarer Transistor und ein Kondensator notwendig. Das Schalten des Halbleiterschalters 28 kann mit der Burstfrequenz des Burstgenerators synchronisiert werden, so daß kein zusätzlicher Rampengenerator zum Erzeugen der Pulsweitenmodulation notwendig ist und im Betrieb keine Interferenzen entstehen, weil auch der Transformator 20 aufgrund der Rampe des Burstgenerators angesteuert wird.
Der Sekundärstrom des Transformators kann sowohl zur Regelung der Transformatorleistung als auch zum Ableiten eines Strommittelwertes genutzt werden, der für eine aktive Stromregelung der einzelnen Kanäle verwendet wird.
Die Erfindung ist anwendbar auf Beleuchtungsanordnung mit einer beliebigen Anzahl von Leuchtstofflampen, beispielsweise 4, 16 oder 32, wobei auch ungerade Lampenanzahlen problemlos angesteuert werden können.
Es kann eine Stromregelung auf ein Sollwert mit einer Genauigkeit von +/– 1% erreicht werden, wobei solche Abweichungen durch das menschliche Auge nicht mehr wahrnehmbar sind.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.

10: Leuchtstofflampe
12: Transformator
14: Schalter
16: Pulsweitenmodulationsschaltung
18: Brückenschaltung
20: Burstgenerator
22: Gesamtstrom-Erfassungsschaltung
24: Mittelungsschaltung
26: Lampenstrom-Erfassungsschaltung
28: Schalter
30: Vergleicher
32: Fehlerverstärker
C1, C2: Kondensatoren
L1, L2: Leuchtstofflampen
C11, C21, C12, C22: Kondensatoren
R1, R2: Widerstände
D1, D2, D3, D4: Dioden
I_L, I_L1, I_L2: Lampenstrom
I_Σ: Stromsummensignal
I_AV: Strommittelwert
I_E1, I_E2: Stromfehlersignal
PWM₁, PWM₂: Pulsweitenmodulationssignal
U_Burst: Rampenspannung des Burstgenerators

Claims

Vorrichtung zur Ansteuerung einer Mehrzahl von Leuchtstofflampen (10) in einer Beleuchtungsanordnung, wobei die Vorrichtung für jede einzelne Leuchtstofflampe der Beleuchtungsanordnung folgende Merkmale aufweist: Ein kapazitiver Spannungsteiler aus einem ersten Kondensator (C1; C11, C12) und einem zweiten Kondensator (C2; C21, C22), die zu der Leuchtstofflampe (10) in Reihe geschaltet sind, ein Schalter (14; 28), der zu einem der Kondensatoren (C1, C2; C11, C12; C21, C22) parallel geschaltet ist, Mittel (26) zum Erfassen des momentanen Lampenstromes, der durch die Leuchtstofflampe (10) fließt, und ein Steuerschaltkreis zum Erzeugen eines Stellsignals für den Schalter (14; 28) in Abhängigkeit von der ermittelten Differenz des momentanen Lampenstromes (Lampenstrom-Istwert) und des Mittelwertes des Stromes aller angeschlossenen Lampen (Lampenstrom-Sollwert).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (14; 28) ein Halbleiterschalter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (14; 28) einen MOSFET oder einen bipolaren Transistor umfaßt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschaltkreis einen Regelverstärker (32) umfaßt, der den Lampenstrom-Istwert und den Lampenstrom-Sollwert als Eingangssignale empfängt und ein Lampenstrom-Fehlersignal ausgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschaltkreis eine Vergleicherschaltung (30) umfaßt, die zwischen dem Regelverstärker (32) und dem Schalter (14; 28) angeschlossen ist und abhängig von dem Lampenstrom-Fehlersignal des Regelverstärkers (32) und einem periodischen Rampensignal das Stellsignal für den Schalter (14; 28) erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Burstgenerator (20), der das periodische Rampensignal erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Burstsignal eine Burstfrequenz aufweist, die um zwei bis drei Größenordnungen geringer ist als eine Taktfrequenz der Schaltstufe.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleicherschaltung (30) ein PWM-Signal erzeugt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Lampenstrom-Erfassungsschaltung (26), die mit der Leuchtstofflampe (10) in Reihe geschaltet ist und den Lampenstrom-Istwert erzeugt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Gesamtstrom-Erfassungsschaltung (22), die den durch alle Leuchtstofflampen fließenden Strom erfaßt und einen Lampenstrom-Mittelwert bildet, wobei der Lampenstrom-Mittelwert als Lampenstrom-Sollwert verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Transformator (12) zur Ansteuerung der Beleuchtungsanordnung, der eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweist, wobei die Gesamtstrom-Erfassungsschaltung (22) mit der Sekundärwicklung des Transformators (12) in Reihe geschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kondensator (C1; C11, C12) stromaufwärts und der zweite Kondensator (C2; C21, C22) stromabwärts der Leuchtstofflampe (10) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (14; 28) zu dem zweiten Kondensator (C2; C21, C22) parallel geschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Kapazitätsverhältnis zwischen dem ersten Kondensator (C1; C11, C12) und dem zweiten Kondensator (C2; C21, C22) ungefähr 1:5 beträgt.