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Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung zur Ansteuerung einer Gasentladungslampe, insbesondere einer Leuchtstofflampe, mit einem steuerbaren Wandler zur Umwandlung einer Gleich- in eine Wechselspannung und mit zwei wechselspannungsseitig an den Wandler angeschlossenen Zuleitungen, zwischen denen die Gasentladungslampe anschließbar ist, wobei in den Zuleitungen eine Drossel, eine erste Kapazität und ein erstes steuerbares Schaltungselement in Serie geschaltet sind. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Ansteuerung einer Gasentladungslampe, insbesondere einer Leuchtstofflampe, wobei diese zur Erzeugung unterschiedlicher Helligkeiten mit einer von einem Wandler generierten Wechselspannung oder von einer aus der Wechselspannung abgeleiteten Gleichspannung über eine Drossel, eine erste Kapazität und ein steuerbares Schaltelement, die mit der Gasentladungslampe in Serie geschaltet sind, angesteuert wird.
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Zur Zündung und zum Betrieb einer Gasentladungslampe, insbesondere einer Leuchtstofflampe, worunter eine Gasentladungslampe verstanden wird, die innen mit einem fluoreszierenden Leuchtstoff beschichtet ist, ist die Verwendung eines elektronischen Vorschaltgerätes bekannt. Ein derartiges elektronisches Vorschaltgerät umfasst neben einem Wandler zur Umwandlung einer Gleich- in eine Wechselspannung eine Drossel und eine Kapazität, die mit der Gasentladungslampe in Serie geschaltet sind. Drossel und Kapazität bilden einen Serienschwingkreis, der zur Zündung durch Frequenzeinstellung der Wechselspannung des Wandlers resonant betrieben wird. Hierdurch entsteht eine hohe Spannung über die Gasentladungslampe, die diese schließlich durchzünden lässt. Nach der Zündung fällt die Impedanz der Gasentladungslampe auf ihren Betriebswert, wodurch sich an der Lampe Betriebsspannung einstellt.
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Zur Dimmung der Gasentladungslampe kann die Betriebsspannung mittels eines schaltbaren Schaltelements beeinflusst werden. Dies ist beispielsweise durch Phasenanschnitt oder mittels Pulsweitenmodulation möglich. Ist die Gasentladungslampe gezündet, kann diese sowohl mit einer Wechsel- als auch mit einer Gleichspannung betrieben werden.
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Insbesondere für Anwendungen in der Luftfahrtindustrie wird es notwendig, die Steuerschaltung leicht und kostengünstig zu realisieren. Insofern wäre ein Betrieb bei möglichst hohen Betriebsfrequenzen wünschenswert, da hierdurch die Größe der erforderlichen Drossel verringert werden kann. Eine hohe Betriebsfrequenz bietet darüber hinaus den Vorteil eines flackerfreien Betriebes der Gasentladungslampe. Helligkeitsvariationen mit einer Frequenz von ≥ 100 Hz kann das menschliche Auge nicht mehr auflösen.
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Bei dem beschriebenen Betrieb einer Gasentladungslampe mit einem elektronischen Vorschaltgerät ist jedoch nachteiligerweise eine gewisse Größe der Drossel erforderlich, um die notwendige Zündspannung noch generieren zu können. Dabei muss die Zündspannung mit wachsender Betriebsfrequenz sogar erhöht werden, da der Gasentladungslampe mit wachsender Betriebsfrequenz zur Durchzündung immer weniger Zeit zur Verfügung steht. Die
DE 102 10 805 A1 sowie die
DE 196 25 077 A1 offenbaren ein Schaltungsprinzip, bei welchem zur sicheren Zündung der Entladungslampe für einen bestimmten Zeitraum durch schaltbare Elemente ein zusätzlicher Schwingkreis aktiviert wird, dessen Spannungsspitzen sich zu denjenigen des Wechselrichters addieren.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steuerschaltung zur Ansteuerung einer Gasentladungslampe anzugeben, die ein möglichst kleines Gewicht aufweist und dennoch eine sichere Zündung ermöglicht. Die Steuerschaltung soll sich insbesondere auch zu einer Steuerung der Helligkeit der Gasentladungslampe eignen. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zur Ansteuerung einer Gasentladungslampe anzugeben, welches mit einer möglichst leichten Steuerschaltung eine sichere Zündung und die Erzeugung unterschiedlicher Helligkeiten der Gasentladungslampe ermöglicht.
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Die erstgenannte Aufgabe wird mit einer Steuerschaltung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass über ein zweites steuerbares Schaltungselement die Zuleitungen zwischen der Drossel und der ersten Kapazität elektrisch verbunden sind, dass die Drossel und die erste Kapazität über eine erste Diode überbrückt sind, und dass eine mit dem ersten Schaltungselement, mit dem zweiten Schaltungselement und mit dem Wandler verbundene Steuereinheit zur mit der Wechselspannung des Wandlers synchronen Ansteuerung der Schaltungselemente vorgesehen ist, die derart ausgelegt ist, dass das zweite Schaltungselement nach einer geschlossenen Phase zur Zündung der Gasentladungslampe in einem derartigen Zeitpunkt geöffnet wird, dass sich die sich in dem Schwingkreis aus Drossel und parasitärer Kapazität des zweiten Schaltelements einstellende Wechselspannung an der Drossel und die Wechselspannung des Wandlers in etwa in ihren Extrema phasengleich zu einer Zündspannung addieren.
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Dabei ist es für die Steuerschaltung unter Beachtung der Einbaurichtung der verwendeten Bauelemente irrelevant, ob sich die im Schwingkreis einstellende Wechselspannung und die Wechselspannung des Wandlers in ihren negativen Phasen, also im eigentlichen Sinne in ihren Minima, oder in ihren positiven Phasen, also im eigentlichen Sinne in ihren Maxima, addieren. Die Steuerschaltung kann prinzipiell für beide Richtungen bei entsprechend geänderter Polung insbesondere der Dioden aufgebaut sein.
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Eine Drossel weist eine Induktivität auf und zeigt einen mit wachsender Frequenz steigenden Wechselstromwiderstand. Als Bauelemente sind hierfür Spulen bekannt. Eine Diode ist ein definiertes Bauelement, welches den Strom in einer Richtung sperrt und in der anderen Richtung nahezu ungehindert durchlässt. Als Bauelemente sind Halbleiterdioden oder Halbleiter höherer Logik einsetzbar. Die Kapazität kann durch einen Kondensator ausgebildet sein.
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Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, zur Zündung der Gasentladungslampe eine Spannungsquelle zu nutzen, ohne eine zusätzliche Verlustleistung zu generieren. Dies gelingt dadurch, dass die parasitäre Kapazität eines zweiten steuerbaren Schaltelements zum Aufbau eines Schwingkreises mit der in der Zuleitung bereits vorhandenen Drossel verwendet wird. Hierzu sind die beiden Zuleitungen über das zweite Schaltelement zwischen der Drossel und der ersten Kapazität elektrisch verbunden. Ist das Schaltelement geschlossen, so fließt über die Drossel ein um π/2 zur Wechselspannung des Wandlers verschobener Drosselstrom. Bei geöffnetem ersten Schaltelement ist die Gasentladungslampe vom Wandler abgekoppelt. Gleichzeitig wird über die die Drossel und die erste Kapazität überbrückende erste Diode die erste Kapazität auf den Spitzenwert der Wechselspannung des Wandlers aufgeladen.
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Wird das zweite Schaltelement geöffnet, so sorgt die Drossel dafür, dass der Drosselstrom in der gleichen Richtung weiterfließt. Die parasitäre Kapazität des zweiten Schaltelements und die Induktivität der Drossel bilden einen Schwingkreis, dessen Frequenz in der Regel höher ist als die Frequenz des Wandlers. Der Drosselstrom und die an der Drossel induzierte Spannung schwingen nun mit der Frequenz des Schwingkreises. Die Ausgangsspannung des Wandlers behält dagegen die vorgegebene Frequenz. Über die zweite Diode gibt die Drossel die gespeicherte Energie an den Ausgangskreis ab. Die am zweiten Schaltelement abfallende Spannung ergibt sich daher aus einer Addition der Ausgangsspannung des Wandlers und der durch den Drosselstrom induzierten Drosselspannung, die mit unterschiedlichen Frequenzen schwingen. Wird das zweite Schaltelement zum richtigen Zeitpunkt geöffnet, so kann es erreicht werden, dass die Extrema der Wechselspannung an der Drossel und der Wechselspannung des Wandlers zusammenfallen. Damit ist es möglich, durch Wahl des richtigen Öffnungszeitpunkts des zweiten Schaltelements eine Zündspannung zu generieren, die etwa doppelt so hoch wie das Maximum der Ausgangsspannung des Wandlers sein kann. Verstärkt wird dieser Effekt weiter durch die Spannung an der ersten Kapazität.
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Da der Drosselstrom der Drosselspannung um π/2 hinterherläuft, ergibt sich eine Addition der Extreme der Wechselspannung des Wandlers und der induzierten Wechselspannung an der Drossel in etwa dann, wenn das zweite Schaltelement im negativen bzw. bei entsprechend entgegengesetzter Polung der Steuerschaltung im positiven Maximum des Drosselstromes geöffnet wird. In diesem Fall addieren sich die beiden Spannungen phasenrichtig in etwa im Extremum der Wechselspannung des Wandlers. Die Frequenz des Schwingkreises ist Idealerweise doppelt so hoch wie die Frequenz der Wechselspannung des Wandlers.
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Zum Öffnen des zweiten Schaltelements im richtigen Zeitpunkt ist es erforderlich, das zweite Schaltelement synchron zur Frequenz der Wechselspannung des Wandlers anzusteuern.
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Vorteilhafterweise ist zwischen erster Kapazität und erstem Schaltelement eine zweite Diode eingeschaltet und zwischen der zweiten Diode und dem ersten Schaltelement eine zweite Kapazität eingeschaltet, die die Verbindungsleitungen verbindet.
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Über die zweite Diode mit zur ersten Diode gleichgerichteter Sperrrichtung wird bei geschlossenem zweiten Schaltelement erreicht, dass die zweite Kapazität über die erste Diode ebenfalls auf das Maximum der Wechselspannung des Wandlers aufgeladen wird. Ist die erste Kapazität im Vergleich zur zweiten Kapazität um ein Vielfaches größer, so ergibt sich die Spannung an der zweiten Kapazität aus der Addition der am zweiten Schaltelement anliegenden Spannung und der Spannung an der ersten Kapazität. Damit steht an der zweiten Kapazität die höchste Spannung für die Zündung der Lampe zur Verfügung. Bei geöffnetem ersten Schaltelement ist die Gasentladungslampe aufgrund der ersten und zweiten Diode vom Wandler vollständig abgekoppelt. Die Energie für den Zündvorgang kommt ausschließlich aus der zweiten Kapazität. Die höchste Spannung ergibt sich dann, wenn die Frequenz des Schwingkreises etwa doppelt so hoch wie die Frequenz der Wechselspannung des Wandlers ist.
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Durch den beschriebenen Einsatz der zweiten Kapazität ist eine kontrollierte Bereitstellung von Energie für die Gasentladungslampe unabhängig vom Wandler möglich. Durch geeignete Steuerung des ersten Schaltelements wird es möglich, die gespeicherte Energie der Gasentladungslampe über einen längeren Zeitraum zur Verfügung zu stellen. Dies ermöglicht eine weitere Absenkung der zur Zündung erforderlichen Zündspannung, so dass bei höherfrequenten Wechselspannungen auch mit einer kleinen Drossel gearbeitet werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die zweite Diode und das erste Schaltelement über ein drittes mit der Steuereinheit verbundenes steuerbares Schaltelement überbrückt, wobei die Steuereinheit sowohl für einen Gleichstrombetrieb der Gasentladungslampe, insbesondere bei niedriger Helligkeit, bei geöffnetem dritten Schaltelement durch Ansteuern des ersten Schaltelements als auch für einen Wechselstrombetrieb der Gasentladungslampe, insbesondere bei hoher Helligkeit, bei geöffnetem ersten Schaltelement durch Ansteuern des dritten Schaltelements ausgebildet ist.
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Wird die zweite Diode und das erste Schaltelement über ein drittes mit der Steuereinheit verbundenes steuerbares Schaltelement überbrückt, so ist nach Zündung der Gasentladungslampe ein konventioneller Betrieb mit der Wechselspannung des Wandlers möglich. Dabei geschieht die Einstellung der Helligkeit über entsprechende Ansteuerung des dritten Schaltelements. Überraschenderweise hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass ein Betrieb der Gasentladungslampe in einem niedrigen Helligkeitsbereich mit Gleichstrom möglich ist, ohne dass es zu einer so genannten Kataphorese, d. h. zu einer Lichtwanderung auf eine Seite der Gasentladungslampe, kommt. Wird die Gleichspannung beispielsweise mittels Pulsweitenmodulation der Gasentladungslampe getaktet zugeführt, so ist eine derartige Gleichspannungsversorgung bis zu einer Helligkeit der Gasentladungslampe von etwa 3% der maximal erreichbaren Helligkeit möglich. Oberhalb dieses Helligkeitsbereiches muss aufgrund der Kataphorese auf Wechselspannungsbetrieb umgeschaltet werden.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit dafür vorgesehen, in einer ersten Phase das erste und das dritte Schaltelement geöffnet und das zweite Schaltelement geschlossen zu halten, in einer zweiten Phase das zweite Schaltelement zur Zündung phasenrichtig zu öffnen, in einer dritten Phase das zweite und das erste Schaltelement zu schließen, und in einer vierten Phase entweder das zweite Schaltelement bei geöffnetem dritten Schaltelement für einen Gleichstrombetrieb der Gasentladungslampe zu steuern oder das dritte Schaltelement bei geöffnetem zweiten Schaltelement für einen Wechselstrombetrieb der Gasentladungslampe zu steuern.
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In der ersten Phase fließt über die Gasentladungslampe kein Strom. Sie ist vom Wandler entkoppelt. Über erste und zweite Diode werden die erste und die zweite Kapazität aufgeladen. Über die Drossel und das zweite Schaltelement fließt ein Drosselstrom.
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In der zweiten Phase wird mittels der Steuereinheit das zweite Schaltelement zur Wechselspannung des Wandlers phasenrichtig geöffnet, so dass sich Drosselspannung und Ausgangsspannung des Wandlers nahezu in ihren Extrema zu einer Gesamtspannung addieren. Die Spannungen der Kapazitäten addieren sich hierzu. An der zweiten Kapazität liegt eine hohe Zündspannung an.
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In der dritten Phase wird das zweite und das erste Schaltelement geschlossen. Die zweite Diode ist gesperrt. Die Gasentladungslampe ist vom Wandler abgekoppelt. Die Energie für den Zündvorgang kommt ausschließlich von der zweiten Kapazität. Die Entkopplung vom Wandler und die hohe an der zweiten Kapazität anliegende Spannung garantieren bei entsprechender Steuerung des ersten Schaltelements eine sanfte und flackerfreie Zündung der Gasentladungslampe. Dabei ist es von Vorteil, wenn das erste Schaltelement als ein Strombegrenzer ausgeführt ist, so dass der Übergang der Gasentladungslampe von einer Kapazität zu einem ohmschen Verbraucher ausgeglichen wird.
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In der vierten Phase schließlich wird entweder das erste Schaltelement bei geöffnetem dritten Schaltelement für einen Gleichstrombetrieb der Gasentladungslampe oder das dritte Schaltelement bei geöffnetem ersten Schaltelement für einen Wechselstrombetrieb der Gasentladungslampe gesteuert. Im ersteren Fall fließt der Gleichstrom der Gasentladungslampe über die erste Diode und das erste Schaltelement. Im zweiten Fall fließt der Wechselstrom über das dritte Schaltelement, die Drossel, die erste und die dritte Kapazität.
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Für eine Helligkeitsregulierung der Gasentladungslampe ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit für eine Steuerung der die Gasentladungslampe mit Spannung beaufschlagenden Schaltelementen mittels Pulsweitenmodulation ausgelegt ist. Insbesondere mittels dieser Technik ist es möglich, die Gasentladungslampe in einem Bereich niedriger Helligkeit durch ein getaktetes Zurverfügungstellen einer Gleichspannung und in einem Bereich hoher Helligkeit durch getaktetes Zurverfügungstellen einer Wechselspannung zu steuern. Die Pulsweitenmodulation bietet dabei den Vorteil eines flackerfreien Betriebes. Da die Gasentladungslampe selbst keine hohen Frequenzen zu ihrem Betrieb benötigt, kann die Pulsweitenmodulation bei hoher Betriebsfrequenz des Wandlers mit einer demgegenüber niedrigeren Taktfrequenz durchgeführt werden. Diese Vorgehensweise erlaubt es, der Lampe genügend Zeit zur Zündung zu lassen. Vorteilhafterweise werden in jedem Takt der Pulsweitenmodulation die beschriebenen vier Phasen durchlaufen. Es wird ersichtlich, dass die zur Pulsweitenmodulation vorgesehenen Schaltelemente synchron zur Wechselspannung des Wandlers betrieben werden müssen. Der Zündzeitpunkt muss zum Erreichen der erforderlichen Zündspannung phasenrichtig erfolgen.
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Die Ansteuerung einer Gasentladungslampe durch Pulsweitenmodulation, wobei die Gasentladungslampe in einem Bereich niedriger Helligkeit mit einer getakteten Gleichspannung und in einem Bereich mit hoher Helligkeit mit einer getakteten Wechselspannung betrieben wird, ist als solche eine eigenständige Erfindung, die vorteilhafterweise mit den anderen genannten Merkmalen kombinierbar ist. Durch die Verwendung einer Pulsweitenmodulation zur getakteten Bereitstellung einer Gleichspannung wird bis zu einer Helligkeit von 3%, insbesondere bis zu einer Helligkeit von 1,5%, ein Gleichspannungsbetrieb einer Gasentladungslampe ohne das Auftreten einer Kataphorese möglich. Soll eine Helligkeit oberhalb dieser Grenze angesteuert werden, so wird die Gasentladungslampe durch Pulsweitenmodulation mit einer getakteten Wechselspannung betrieben.
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Da in jedem Takt der Pulsweitenmodulation die Gasentladungslampe neu gezündet wird, ist die Frequenz der Pulsweitenmodulation zweckmäßigerweise größer als 100 Hz zu wählen.
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Aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), die insbesondere für eine Anwendung der Steuerschaltung in der Luftfahrtindustrie von hoher Bedeutung ist, ist die Steuereinheit vorteilhafterweise dafür ausgelegt, die Einschaltdauer der Schaltelemente in einem Takt der Pulsweitenmodulation jeweils als ganzzahliges Vielfaches der Schwingungsdauer der Wechselspannung des Wandlers zu steuern. Wird die Gasentladungslampe mit getakteter Wechselspannung betrieben, so handelt es sich um einen Wechselstrombetrieb, wobei zur Realisierung der Dimmung ganze Schwingungen ausgetastet werden. Die Pulsweitenmodulation wird zu einer Pulspaketmodulation modifiziert, wobei stets ganze Schwingungspakete der Wechselspannung des Wandlers geschaltet werden. Um eine möglichst hohe elektromagnetische Verträglichkeit und möglichst geringe Verlustleistung zu erreichen, werden die Pulspakete im Nulldurchgang geschaltet.
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Aus EMV-Gründen kann die Frequenz der Wechselspannung des Wandlers nicht beliebig hoch sein. Als praktikabel hat sich ein Bereich zwischen 20 und 60 KHz herausgestellt. Hierdurch ist im Falle der Pulspaketmodulation die Auflösung der Dimmung physikalisch begrenzt, da nur ganze Schwingungen geschaltet werden können.
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Die unterste Dimmstufe für eine derart angesteuerte Gasentladungslampe wäre eine ganze Schwingung der Wechselspannung des Wandlers im Takt der Pulsweitenmodulation. Bei einer Frequenz der Wechselspannung des Wandlers von 40 kHz und einer Taktfrequenz der Pulsweitenmodulation von 100 Hz würde somit jede 400.ste Schwingung zugeschaltet werden. Dies entspricht einer theoretisch möglichen untersten Dimmstufe mit einer Helligkeit von 0,25% der maximal möglichen Helligkeit der Gasentladungslampe. Für einen stabilen Betrieb sind jedoch mehrere zusammenhängende Schwingungen erforderlich. Außerdem bringen die sich ebenfalls mit der Taktfrequenz wiederholenden Zündvorgänge nach dem Austasten noch eine gewisse Lichterscheinung mit sich. Daher beträgt die unterste im Wechselstrombetrieb einstellbare Dimmstufe etwa 1,5% der maximal möglichen Helligkeit.
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Wird im Wechselstrombetrieb zur Ansteuerung der Gasentladungslampe eine Pulspaketsteuerung verwendet, so ist die Auflösung der einzelnen Dimmstufen durch die Dauer einer Schwingungsperiode der Wechselspannung des Wandlers und durch die Taktfrequenz der Pulsweitenmodulation bestimmt. Im beschriebenen Beispiel mit 100 Hz Taktfrequenz und 40 kHz Frequenz der Wechselspannung des Wandlers beträgt somit die kleinste Auflösung der Dimmstufen 0,25% der maximal erreichbaren Helligkeit. Um die Dimmung kontinuierlich erscheinen zu lassen, ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit dafür ausgelegt ist, in einem Takt der Pulsweitenmodulation nach Ablauf der Steuerung des dritten Schaltelements, wodurch die Gasentladungslampe mit Wechselspannung beaufschlagt wird, das erste Schaltelement bei geöffnetem dritten Schaltelement zu steuern, wodurch die Gasentladungslampe mit einer Gleichspannung beaufschlagt wird.
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Auf diese Weise wird es ermöglicht, durch Hinzufügen eines Anteils mit Gleichspannungs- bzw. Gleichstrombetrieb in einem Takt der Pulsweitenmodulation die Helligkeitsabstufung quasi kontinuierlich erscheinen zu lassen. Insbesondere gelingt dies, wenn nach beendeter Wechselspannungsbeaufschlagung die Gleichspannungsbeaufschlagung mit einer derartigen Dauer erfolgt, dass sich insgesamt eine Helligkeitsnuance zwischen zwei alleine mit Wechselspannungsbetrieb ergebenden Dimmstufen ausbildet. Hierdurch können die Dimmstufen durch Anpassung der Dauer des Gleichspannungsbetriebs ineinander überführt werden.
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Die zweitgenannte Aufgabe der Erfindung wird für ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Zündung ein mit seiner parasitären Kapazität einen Schwingkreis mit der Drossel ausbildendes zweites steuerbares Schaltelement nach einer geschlossenen Phase in einem derartigen Zeitpunkt geöffnet wird, dass sich die sich in dem Schwingkreis einstellende Wechselspannung an der Drossel und die Wechselspannung des Wandlers in etwa in ihren Extrema phasengleich zu einer Zündspannung addieren. Die für eine Steuerschaltung erwähnten Vorteile sind sinngemäß auf das Verfahren zur Ansteuerung gerichtete Ansprüche zu übertragen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine Steuerschaltung zur helligkeitsvariablen Ansteuerung einer Leuchtstofflampe.
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Die Schaltungsanordnung 1 gemäß 1 umfasst als wesentliche Bestandteile einen Wandler 2, der als ein Royer-Konverter ausgebildet ist, an welchen wechselspannungsseitig zwischen den Zuleitungen 3 und 4 eine Leuchtstofflampe FL geschaltet ist. In der Zuleitung 3 befindet sich eine Drossel L1, eine erste Kapazität C1 sowie ein erstes steuerbares Schaltelement T1. Diese Grundsatzschaltung entspricht einem elektronischen Vorschaltgerät nach konventioneller Bauart.
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Der als Royer-Konverter ausgestaltete Wandler 2 erzeugt aus einer Gleichspannung Vdc eine an den Zuleitungen 3 und 4 anliegende Wechselspannung Vac. Die Frequenz dieser Wechselspannung Vac beträgt 40 kHz. Die weiteren Ausgänge des Wandlers 2 dienen über die Kapazitäten C5 bzw. C6 der Vorheizung der Wendeln der Leuchtstofflampe FL.
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Zwischen Drossel L1 und erster Kapazität C1 sind die Zuleitungen 3 und 4 über ein zweites steuerbares Schaltelement T2 verbindbar. Das Schaltelement T2 weist bei geöffneter Stellung eine parasitäre Kapazität auf, die durch die parallel geschaltete vierte Kapazität C4 dargestellt ist. Die Drossel L1 und die erste Kapazität C1 wird mittels einer ersten Diode D1 überbrückt. Zwischen erster Kapazität C1 und erstem Schaltelement T1 ist in Serie eine zweite Diode D2 eingeschaltet. Zwischen der zweiten Diode D2 und dem ersten Schaltelement T1 sind die Verbindungsleitungen 3 und 4 über eine zweite Kapazität C2 miteinander verbunden. Die zweite Diode D2 und das erste Schaltelement T1 sind über eine dritte Kapazität C3 mit in Serie geschaltetem drittem Schaltelement T3 überbrückt. Zum Erreichen entsprechender Ladeströme an erster und zweiter Kapazität C1 bzw. C2 sind die Widerstände R1 und R2 vorgesehen.
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Zum Betrieb der Schaltungsanordnung 1 wird der als Royer-Konverter ausgebildete Wandler 2 mittels einer Steuerung ST1 getaktet. Die Schaltelemente T1, T2 und T3 sind mit einer Steuereinheit ST2 verbunden, die über eine Synchronisationsleitung 7 mit der Steuerung ST1 in Verbindung steht. Die Ansteuerung der Schaltelemente T1, T2 und T3 wird aus dem Takt der Steuerung ST1 für den Wandler 2 abgeleitet.
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In einer ersten Phase ist das zweite Schaltelement T2 geschlossen. Das erste und das dritte Schaltelement T1, T3 sind offen. Damit ist die Leuchtstofflampe FL vollständig vom Wandler 2 abgekoppelt; über sie fließt kein Strom. Über die erste Diode D1 und die Widerstände R1 und R2 werden die erste und die zweite Kapazität C1 bzw. C2 auf den Spitzenwert der Wechselspannung Vac des Wandlers 2 aufgeladen. In der gleichen Zeit fließt durch die Drossel L1 ein Drosselstrom mit der Frequenz des Wandlers 2. Die in erster Kapazität C1 und in der Drossel L1 gespeicherten Energien werden für die Erzeugung der Zündenergie später verwendet.
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In einer zweiten Phase erfolgt die Bereitstellung der Zündenergie durch Aufladung der zweiten Kapazität C2. Hierzu wird das zweite Schaltelement T2 geöffnet, um eine möglichst hohe Induktionsspannung an der Drossel L1 zu erzielen. Hierzu wird das zweite Schaltelement T2 in einem negativen Maximum des Drosselstroms geöffnet. Die Drossel L1 sorgt dafür, dass der Drosselstrom in der gleichen Richtung weiterfließt. Die parasitäre Kapazität C4 des zweiten Schaltelements T2 und die Induktivität der Drossel L1 bilden einen Schwingkreis, dessen Frequenz höher als die Frequenz der Wechselspannung des Wandlers 2 ist. Der Drosselstrom und die an der Drossel L1 induzierte Spannung schwingen nun mit der Frequenz des Schwingkreises. Die Wechselspannung Vac des Wandlers 2 behält ihre Frequenz. Die Drossel L1 gibt die gespeicherte Energie an den Ausgangskreis ab. Am zweiten Schaltelement T2 entsteht eine Spannung, die sich aus einer Addition der Spannungen Vac und der Drosselspannung ergibt, die aber mit verschiedenen Frequenzen schwingen. Das zweite Schaltelement T2 wird so geöffnet, dass in etwa die Maxima der Spannungen Vac und der Drosselspannung zusammenfallen. Der beste Öffnungszeitpunkt ist an dem negativen Maximum des Drosselstromes. Die Dimensionen der verwendeten Bauelemente in der gezeigten Schaltungsanordnung 1 sind derart gewählt, dass die Frequenz des Schwingkreise aus Drossel L1 und parasitärer Kapazität C4 in etwa doppelt so hoch ist wie die Frequenz der Wechselspannung des Wandlers 2. Dadurch resultiert eine hohe Spannung am zweiten Schaltelement T2. Die erste Kapazität C1 ist im Vergleich zur zweiten Kapazität C2 vielfach größer gewählt, wodurch sich die Spannung an der zweiten Kapazität C2 aus der Addition der Spannung am zweiten Schaltelement T2 und der Spannung an der ersten Kapazität C1 ergibt. Am Ende dieser Phase steht an der zweiten Kapazität C2 eine hohe Spannung für die Zündung der Leuchtstofflampe zur Verfügung. Nach wie vor fließt kein Strom über die Leuchtstofflampe FL.
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In einer dritten Phase wird das zweite Schaltelement T2 und das erste Schaltelement T1 geschlossen. Das dritte Schaltelement T3 bleibt geöffnet. Die zweite Diode D2 ist mit eingezeichneter Sperrrichtung gesperrt. Der Wandler 2 ist von der Leuchtstofflampe FL abgekoppelt. Damit kann die an der zweiten Kapazität C2 gespeicherte Energie unabhängig von der Frequenz der Wechselspannung des Wandlers 2 der Leuchtstofflampe FL für die zur Zündung notwendige Dauer zur Verfügung gestellt werden. Die Schaltungsanordnung 1 ermöglicht somit mit einer kleinen Drossel und hoher Betriebsfrequenz die Erzeugung einer ausreichenden Zündspannung. Durch die Entkopplung ist zudem der Wandler 2 von Effekten in der Schaltungsanordnung 1 abgekoppelt, so dass die Frequenz der erzeugten Wechselspannung im Wesentlichen konstant bleibt.
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Durch Schließen des ersten Schaltelements T1 wird nach einer gewissen Dauer die Leuchtstofflampe FL infolge der hohen Spannung an der zweiten Kapazität C2 gezündet. Um ein sanftes und flackerfreies Zünden der Leuchtstofflampe FL zu erzielen, ist das erste Schaltelement T1 als eine dynamische Stromquelle ausgebildet. Die dynamische Stromquelle ist beispielsweise ein veränderlicher Widerstand, der dafür sorgt, dass der durch die Leuchtstofflampe FL fließende Strom unabhängig von deren Übergang von einer Kapazität vor Zündung zu einem ohmschen Verbraucher nach Zündung begrenzt wird. Nach Zündung der Leuchtstofflampe FL fließt ein kontrollierter Gleichstrom über die erste Diode D1 durch die Leuchtstofflampe FL.
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Wird eine Helligkeit der Leuchtstofflampe FL von weniger als 1,5% gewünscht, so wird die Leuchtstofflampe FL nach Zündung weiterhin über das erste Schaltelement T1 mit Gleichspannung versorgt. In diesem Fall gelangt die Energie über die erste Diode D1 und den Widerstand R1 zur Leuchtstofflampe FL. Die Regulierung der Helligkeit erfolgt mittels Pulsweitenmodulation durch Ansteuerung des ersten Schaltelements T1. Mittels der Steuereinheit ST2 wird die Gleichspannung durch das Schaltelement T1 derart getaktet zur Verfügung gestellt, dass sich die gewünschte Helligkeit an der Leuchtstofflampe FL einstellt.
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Wird eine Helligkeit von oberhalb 1,5% gewünscht, so wird das erste Schaltelement T1 geöffnet, um die größer werdenden Verluste zu vermeiden. Das zweite Schaltelement T2 wird geöffnet, damit der Drosselstrom über die erste Kapazität C1 und die dritte Kapazität C3 zur Leuchtstofflampe FL gelangen kann. Entsprechend wird das dritte Schaltelement T3 von der Steuereinheit betätigt. Die Einstellung der gewünschten Helligkeit geschieht wiederum durch Pulsweitenmodulation der über das dritte Schaltelement T3 zur Verfügung gestellten Wechselspannung des Wandlers 2. Die Leuchtstofflampe FL arbeitet nun im Wechselstrombetrieb. Der dritte Kondensator C3 sorgt dafür, dass kein Gleichstrom über das dritte Schaltelement T3 fließt.
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Die Steuereinheit ST2 der gezeigten Schaltungsanordnung 1 steuert erstes und drittes Schaltelement T1 bzw. T3 zur Pulsweitenmodulation der entsprechenden Spannungen. In jedem Takt der Pulsweitenmodulation wird durch phasenrichtiges Öffnen des zweiten Schaltelements T2 an der zweiten Kapazität C2 eine Zündspannung aufgebaut, die durch Öffnen des ersten Schaltelements T1 an der Leuchtstofflampe FL anliegt. Anschließend erfolgt im Takt der Pulsweitenmodulation entweder ein durch Taktung einer Gleichspannung hervorgerufener Gleichstrombetrieb bei einer Helligkeit von weniger als 1,5% der gesamt erreichbaren Helligkeit, oder aber ein durch Taktung der Wechselspannung des Wandlers 2 resultierender Wechselstrombetrieb der Leuchtstofflampe FL bei einer gewünschten Helligkeit oberhalb 1,5%. Im Zusammenspiel der Schaftelemente T1, T2 und T3 wird ein weiter Dimmbereich der Leuchtstofflampe FL zwischen 0,1 und 100% der maximal erreichbaren Helligkeit erzielt.
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Wird die Leuchtstofflampe FL im oberen Helligkeitsbereich im Wechselstrombetrieb betrieben, so erfolgt diese durch Pulspaketsteuerung. Dies erhöht die elektromagnetische Verträglichkeit und ermöglicht einen flackerfreien Betrieb. Die Taktfrequenz der Pulspaketsteuerung beträgt 100 Hz. Das dritte Schaltelement T3 wird dabei so betrieben, dass stets nur ganzzahlige Vielfache der Schwingungen der Wechselspannung des Wandlers 2 enthalten sind. Die Einschaltzeit erfolgt ausschließlich während eines Nulldurchgangs der Wechselspannung des Wandlers 2. Dies ist zum Erreichen einer guten elektromagnetischen Verträglichkeit sinnvoll.
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Die durch die Pulspaketsteuerung resultierende Stufung der Dimmung (die kleinste Auflösung entspricht dem Verhältnis aus Taktfrequenz der Pulsweitenmodulation zur Frequenz der Wechselspannung des Wandlers 2) wird durch Hinzufügung eines Gleichspannungsbetriebes der Leuchtstofflampe FL innerhalb eines Taktes nach Abschluss des Wechselstrombetriebes mit einer variablen Zeitdauer aufgelöst. Hierdurch wird eine Helligkeitsnuance zwischen zwei Dimmstufen im Wechselstrombetrieb ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaltungsanordnung
- 2
- Wandler
- 3
- Zuleitung
- 4
- Zuleitung
- 7
- Synchronisationsleitung
- C1
- erste Kapazität
- C2
- zweite Kapazität
- C3
- dritte Kapazität
- C4
- parasitäre (vierte) Kapazität
- C5
- fünfte Kapazität
- C6
- sechste Kapazität
- D1
- erste Diode
- D2
- zweite Diode
- FL
- Leuchtstofflampe
- L1
- Drossel
- R1
- erster Widerstand
- R2
- zweiter Widerstand
- S1
- Versorgung T2, ST1 und ST2
- S2
- Versorgung T1
- S3
- Versorgung T3
- ST1
- Steuerung Wandler
- ST2
- Steuereinheit
- T1
- erstes Schaltelement
- T2
- zweites Schaltelement
- T3
- drittes Schaltelement
- Vdc
- Versorgungsgleichspannung
- Vac
- Wechselspannung Wandler
