DE102005059762A1

DE102005059762A1 - Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betreiben von Hochdruck-Gasentladungslampen

Info

Publication number: DE102005059762A1
Application number: DE102005059762A
Authority: DE
Inventors: Herbert Kästle; Thomas Dr. Rossmanith
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2007-06-21
Also published as: ATE427644T1; US20080284345A1; WO2007068603A1; EP1961276B1; CA2633451A1; DE502006003353D1; US7839093B2; ES2325098T3; EP1961276A1

Abstract

Schaltungsanordnung zum Bereitstellen einer Lampenleistung an eine Hochdruck-Gasentladungslampe (Lp) in Form eines Wechselstroms mit einer Betriebsfrequenz. Der Wechselstrom wird von einer Vollbrücke erzeugt, die aus zwei Halbbrückenzweigen besteht. Über die Phase, die die beiden Halbbrückenzweige zueinander kann die Lampenleistung eingestellt werden. Falls die Betriebsfrequenz frequenzmoduliert ist, bildet sich durch die Übertragungsfunktion eines Koppelnetzwerks eine Modulation der Lampenleistung. Diese kann durch eine geeignete Nachführung der Phase kompensiert werden.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von Hochdruck-Gasentladungslampen. Hochdruck-Gasentladungslampen werden im folgenden auch kurz Lampen bezeichnet. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben derartiger Lampen. Beschreibungen die vorteilhafte Ausführungen der Schaltungsanordnung betreffen, gelten in entsprechender Weise auch für das Verfahren. Insbesondere behandelt die Erfindung den Lampenbetrieb mit modulierter Betriebsfrequenz.

Stand der Technik

Beim Betrieb von Hochdruck-Gasentladungslampen besteht oft ein Bedarf an einer Modulation der Betriebsfrequenz. In den meisten Fällen soll die Modulation akustische Resonanzen in der Lampe verhindern. Es gibt auch Fälle, bei denen durch die Modulation akustische Resonanzen gezielt angeregt werden, um die Gasfüllung der Lampe zu durchmischen.

Akustische Resonanzen sind ein bekanntes Problem beim Betrieb von Hochdruck-Gasentladungslampen. Abhängig von der Geometrie und vom Druck der Lampe, treten diese Resonanzen in einem Frequenzbereich zwischen 5kHz und 1000kHz auf und können zu Bogenunruhe und bei ausgeprägten Resonanzen sogar zur Zerstörung der Lampe führen. Ein Betrieb einer Lampe mit einem Wechselstrom, der eine Frequenz im genannten Frequenzbereich aufweist, ist deshalb nicht ohne weiteres zuverlässig.

Eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruck-Gasentladungslampe umfasst im allgemeinen einen Wechselrichter, der eine hochfrequente Wechselspannung bereitstellt, die eine Betriebsfrequenz aufweist, die im Bereich zwischen 10 kHz und 10 MHz aufweist. Der Wechselrichter kann bekanntermaßen als Vollbrücke ausgeführt werden, die von einer Gleichspannung gespeist wird. Dies ist in folgender Literaturstelle beschrieben: Bill Andreycak, "Phase Shifted Zero Voltage Transition Design Considerations and the UC3875 PWM Controller", Unitrode Application Note U-136A, 1997. Die Vollbrücke weist einen Brückenzweig auf, der an den Enden jeweils von einem Halbbrückenzweig gespeist wird. Die Spannungen, die die Halbbrückenzweige zueinander aufweisen haben eine Phase zueinander. Ist die Phase 180 Grad bzw. π, so ist die Amplitude der Spannung die am Brückenzweig anliegt maximal und hat einen Wert, der einer Speisespannung entspricht, die die Vollbrücke speist. Ist die Phase Null, so ist auch die Amplitude Null. In der o. g. Literaturstelle ist beschreiben, wie mittels der Phase die Spannung am Brückenzweig und damit die Ausgangsspannung des Wechselrichters geregelt werden kann.

Die Lampe wird über ein Koppelnetzwerk an den Ausgang des Wechselrichters gekoppelt. Das Koppelnetzwerk ist im allgemeinen ein Reaktanznetzwerk und weist eine Übertragungsfunktion die den Lampenstrom in Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz beschreibt, dies bei gegebener Ausgangsspannung des Wechselrichters: IL (ω) = H(ω)·UA

I_L steht in obiger Formel für die Amplitude des Lampenstroms, ω für die Kreisfrequenz der Betriebsfrequenz, U_A für die Amplitude der Ausgangsspannung des Wechselrichters und H(ω) für die Übertragungsfunktion des Koppelnetzwerks.

Wird nun aus einem der o. g. Gründe die Betriebsfrequenz moduliert, so führt dies aufgrund der Übertragungsfunktion zu einer Amplitudenmodulation des Lampenstroms. Dies kann zu unerwünschten Flackererscheinungen und Bogenunruhe führen.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von Hochdruck-Entladungslampen bereit zu stellen, das eine modulierte Betriebsfre quenz aufweist und keine Flackererscheinungen oder Bogenunruhe bei einer angeschlossenen Lampe verursacht.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung realisiert, die folgende Merkmale aufweist:

• Einen Vollbrücken-Wechselrichter mit zwei Halbbrückenzweigen und einem dazwischen liegenden Brückenzweig, wobei durch jeden Halbbrückenzweig in den Brückenzweig eine Halbbrückenspannung einspeisbar ist;
• die Halbbrückenspannungen weisen eine, durch einen Controller einstellbare Phase zueinander auf,
• die Hochdruck-Gasentladungslampe ist mit dem Brückenzweig koppelbar,
• der Vollbrücken-Wechselrichter liefert an die Hochdruck-Gasentladungslampe einen Lampenstrom, der im wesentlichen ein Wechselstrom mit einer modulierten Betriebsfrequenz ist, die fortwährend in einem Bereich zwischen einer Minimalfrequenz und einer Maximalfrequenz pendelt,
• der Controller stellt die Phase abhängig von der Betriebsfrequenz so ein, dass mit steigender Betriebsfrequenz die Phase ansteigt

Die Ausprägung der Resonanzstellen der Lampe nimmt im allgemeinen mit steigender Frequenz ab. D. h. bei niedrigen Frequenzen ist es kritisch der Lampe viel Energie zur Verfügung zu stellen, da sich starke Resonanzen ausbilden können. Bei höheren Frequenzen hingegen kann der Lampe mehr Energie eingespeist werden, da die Resonanzen dort weniger ausgeprägt sind.

Das Koppelnetzwerk weist im allgemeinen einen Tiefpasscharakter auf. D. h. bei niedrigen Frequenzen wird der Lampe mehr Energie eingespeist als bei hohen Frequenzen. Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass die Frequenzabhängigkeit des Koppelnetzwerks die Instabilität der Lampe auslösen kann, weil gerade die Frequenzen weniger bedämpft werden, bei denen starke Resonanzen auftreten.

Aus dieser Erkenntnis folgt, dass die Frequenzabhängigkeit des Koppelnetzwerks kompensiert werden muss. Dies geschieht erfindungsgemäß durch eine Steuerung der Phase synchron zur Betriebsfrequenz. Die Phase weist also in einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wie die Betriebsfrequenz eine Modulation auf. Im Zeitbereich bewirkt die Frequenzabhängigkeit des Koppelnetzwerks eine sinkende Amplitude des Lampenstroms bei steigender Frequenz. Im Frequenzbereich zeigt sich die Frequenzabhängigkeit des Koppelnetzwerks im Leistungsspektrum der Lampenleitung derart, dass die spektrale Leistungsdichte zu hohen Frequenzen hin abnimmt. Durch die erfindungsgemäße Modulation der Phase wird erreicht, dass die Amplitude des Lampenstroms näherungsweise unabhängig ist von der Betriebsfrequenz oder sogar zu höheren Frequenzen hin zunimmt. Im Frequenzbereich wird durch die Erfindung erreicht, dass das Leistungsspektrum der Lampenleistung gleichverteilt ist oder sogar zu höheren Frequenzen hin ansteigt.

Neben der Instabilität der Lampe ergibt sich durch den Frequenzbereich, den die Betriebsfrequenz überstreicht ein weiteres Problem. Die Frequenzabhängigkeit des Koppelnetzwerks bewirkt ohne erfindungsgemäße Modulation der Phase eine Amplitudenmodulation des Lampenstroms. Ohne Gegenmaßnahme führt dies zu einem unerwünschten Flackern des Lichtstroms mit der Modulationsfrequenz.

Es ist auch vorteilhaft, wenn die Modulation der Phase stärker ist als zur Kompensation der Frequenzmodulation der Betriebsfrequenz nötig wäre. Dann liegt eine Überkompensation vor. Dieser Fall kann in zwei Fälle unterteilt werden, von denen jeder eigene Vorteile mit sich bringt.

Bislang wurde davon ausgegangen, dass der zeitliche Verlauf der Betriebsfrequenz so gewählt ist, dass alle möglichen Betriebsfrequenzen zwischen der Maximalfrequenz und der Minimalfrequenz im wesentlichen für gleich lange Zeit vom Wechselrichter erzeugt werden. In diesem Fall bewirkt die Überkompensation, dass mit steigender Betriebsfrequenz mehr Energie in die Lampe eingekoppelt wird. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Stabilität des Lampenbetriebs aus, da Resonanzstellen der Lampe mit steigender Frequenz tendenziell stärker gedämpft sind. Die Lampe setzt also mehr Energie bei Betriebsfrequenzen um, bei denen die Resonanzstellen der Lampe stärker bedämpft sind.

Falls die Vorraussetzung nicht mehr gilt, dass alle möglichen Betriebsfrequenzen zwischen der Maximalfrequenz und der Minimalfrequenz im wesentlichen für gleich lange Zeit vom Wechselrichter erzeugt werden, kann eine Überkompensation neutralisiert werden. Dies ist durch eine geeignete zeitliche Verteilung der Betriebsfrequenzen möglich. Nimmt die Zeitdauer in der der Wechselrichter eine bestimmte Betriebsfrequenz erzeugt mit steigender Frequenz in geeigneter Weise ab, dann kann das Leistungspektrum der Lampenleistung trotz einer Überkompensation bei allen Betriebsfrequenzen im wesentlichen gleich sein. D. h. die Schalttransistoren des Wechselrichters werden für eine kürzere Zeit mit hohen Frequenzen getaktet, als dies ohne Überkompensation der Fall wäre. Dies führt zu einer Reduzierung der Schaltverluste in den Schalttransistoren. Unter hohen Frequenzen werden dabei Frequenzen verstanden, die der Maximalfrequenz näher sind als der Minimalfrequenz. Eine Überkompensation kann also zur Stabilisierung des Lampenbetriebs oder zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Schaltungsanordnung genutzt werden. Es sind auch Mischformen möglich, bei denen beide Vorteile genutzt werden, indem die Überkompensation nur teilweise durch eine zeitliche Verteilung der Betriebsfrequenzen neutralisiert wird.

Die Modulation der Betriebsfrequenz muss nicht periodisch mit einer Modulationsfrequenz erfolgen. Die Modulation kann beispielsweise von einem Rauschgenerator oder durch Chaos gesteuert sein.

Der Zusammenhang zwischen Betriebsfrequenz und Phase definiert eine Modulatorkennlinie. Im einfachsten Fall stellt die Modulatorkennlinie einen linearen Zusammenhang mit einem Modulationsfaktor zwischen Betriebsfrequenz und Phase her. Zu einem gewünschten Frequenzhub der Betriebsfrequenz ergibt sich eine nötige Modulation der Phase bei gegebenem Koppelnetzwerk, um die o. g. Kompensationsbedingung zu erfüllen. Der Modulationsfaktor muss demnach so eingestellt sein, dass die Kompensationsbedingung erfüllt ist. Der zeitliche Verlauf Betriebsfrequenz ist be vorzugt dreieck- oder sägezahnförmig. Bei linearer Modulatorkennlinie ist dann auch der zeitliche Verlauf der Phase dreieck- oder sägezahnförmig.

Abhängig von einer Modulatorkennlinie ergibt sich ein unterschiedlicher Frequenzverlauf des Leistungs- oder auch Leistungsdichtespektrums der Lampenleistung. Da im allgemeinen ein gleichverteiltes Leitungsspektrum erwünscht ist, ist die Modulatorkennlinie so ausgelegt, dass dies erreicht wird. Die Steuerung der Phase durch den Modulator kann zu einer Regelung der Phase erweitert werden. Dazu benötigt der Modulator einen Messeingang der mit einer Messgröße für die Amplitude des Lampenstroms oder die Leistung der Lampe gespeist wird. Abhängig von der Messgröße stellt der Modulator seine Modulatorkennlinie oder seinen Modulationsfaktor so ein, dass die Messgröße konstant bleibt.

Auf dem Markt gibt es Metallhalogen-Hochdrucklampen mit 20W, 35W, 70W, 150W und höherer Leistung. Für 20W Lampen hat sich eine Minimalfrequenz von 400 kHz und eine Maximalfrequenz von 500 kHz als vorteilhaft erwiesen. Für 35W Lampen hat sich eine Minimalfrequenz von 300 kHz und eine Maximalfrequenz von 400kHz als vorteilhaft erwiesen. Für 70W Lampen hat sich eine Minimalfrequenz von 220 kHz und eine Maximalfrequenz von 320 kHz als vorteilhaft erwiesen. Für 150W Lampen hat sich eine Minimalfrequenz von 160 kHz und eine Maximalfrequenz von 260 kHz als vorteilhaft erwiesen. Die angegebenen Frequenzwerte sind lediglich als Dimensionierungsbeispiele zu verstehen. Falls ein Betriebsgerät für mehrere Lampen mit unterschiedlicher Nominalleistung geeignet sein soll, muss vom jeweils optimalen Frequenzbereich abweichend ein Kompromiss gewählt werden.

Für Lampen bei denen durch die Modulation der Betriebsfrequenz eine Resonanz angeregt werden soll, um eine gezielte Durchmischung der Gasfüllung zu bewirken, hat sich eine Minimalfrequenz von 45 kHz und eine Maximalfrequenz von 55 kHz als vorteilhaft erwiesen.

Für die Stabilität des Lampenbetriebs ist es vorteilhaft, wenn die spektrale Leistungsdichte der Lampenleistung reduziert wird. Soll die durchschnittliche Lampenleistung konstant bleiben, muss dazu das Leistungsspektrum verbreitert werden. Um das Leistungsspektrum in dem der Lampe Leistung zugeführt wird zu verbreitern ohne die Minimal- oder die Maximalfrequenz zu verändern, überlagert der Wechselrichter dem Lampenstrom einen Gleichanteil, dessen Vorzeichen mit einer Wechselfrequenz wechselt, die kleiner ist als ein Zehntel der Minimalfrequenz. Vorteilhaft wird der Gleichanteil durch einen Vollbrückenwechselrichter erzeugt, dessen Schalter ein Tastverhältnis aufweisen, das von 50% abweicht. Die Halbbrückenzweige der Vollbrücke umfassen jeweils einen ersten und einen zweiten Schalter. Falls eine erste Einzeit des ersten Schalters gleich einer zweiten Einzeit des zweiten Schalters ist, erzeugt der Vollbrückenwechselrichter eine Rechteckspannung ohne Gleichanteil. Wird die erste Einzeit um eine Asymmetriezeit reduziert, während die zweite Einzeit um diese Asymmetriezeit verlängert, so enthält die vom Vollbrückenwechselrichter erzeugte Wechselspannung einen Gleichanteil. Zur Vermeidung einer einseitigen Belastung der Lampe wird mit der Wechselfrequenz die Asymmetriezeit abwechselnd der ersten und der zweiten Einzeit abgezogen und zugefügt. Der Wechsel der Asymmetrie braucht nicht abrupt zu erfolgen. Geringere Belastung für die verwendeten Bauelemente ergibt sich, wenn der Wechsel vom Abziehen zum Zufügen der Asymmetriezeit kontinuierlich erfolgt. Beispielsweise kann der zeitliche Verlauf des Werts der Asymmetriezeiten dreieckförmig sein. Zu jedem Zeitpunkt ist die Summe der Asymmetriezeiten des ersten und des zweiten Schalters Null.

Ohne Gleichanteil umfasst das Leistungsspektrum der Lampenleistung Anteile in einen Frequenzbereich zwischen der doppelten Minimalfrequenz und der doppelten Maximalfrequenz. Durch Hinzufügen des Gleichanteils entstehen zusätzlich Anteile in einem Frequenzbereich zwischen der Minimalfrequenz und der Maximalfrequenz. Es entstehen auch Anteile oberhalb der doppelten Maximalfrequenz, die aber im allgemeinen keine Rolle hinsichtlich eines stabilen Lampenbetriebs spielen. Ist die doppelte Minimalfrequenz größer als die Maximalfrequenz entsteht zwischen der Maximalfrequenz und der doppelten Minimalfrequenz eine Spektrallücke in der keine Leistung an die Lampe abgegeben wird. Vorteilhaf werden die Minimalfrequenz und die Maximalfrequenz so gewählt, dass besonders ausgeprägte Resonanzen der Lampe in diese Spektrallücke fallen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
1 ein Prinzipschaltbild für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,
2 den zeitlichen Verlauf von Halbbrückenspannungen und Brückenspannung in einer Vollbrücke,
3 den zeitlichen Verlauf einer Lampenspannung ohne Kompensation der Übertragungsfunktion des Koppelnetzwerks,
4 den zeitlichen Verlauf einer Lampenspannung mit Kompensation der Übertragungsfunktion des Koppelnetzwerks.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt ein Prinzipschaltbild für eine Schaltungsanordnung, mit der die vorliegende Erfindung realisierbar ist. Die Schaltungsanordnung besitzt zwei Eingangsklemmen 1 und 2 an denen eine gleichgerichtete Netzspannung anschließbar ist. Die Eingangsklemmen 1 und 2 sind gekoppelt mit einer PFC-Stufe, die eine Leistungsfaktorkorrektur bewerkstelligt und zwischen den Potenzialen 3 und 4 eine Speisespannung Us bereit stellt. Parallel zur Speisespannung Us ist ein Speicherkondensator C1 geschaltet, der die Speisespannung Us puffern soll. Ein Potenzial der Speisespannung dient als Bezugspotenzial der Schaltungsanordnung. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird im folgenden das Potenzial 4 als Bezugspotenzial angenommen.
Die Speisespannung stellt die Energieversorgung für einen Vollbrücken-Wechselrichter. Dieser umfasst zwei parallel an die Speisespannung Us geschaltete Halbbrückenzweige. Jeder Halbbrückenzweig besteht aus der Serienschaltung eines oberen Schalters S1, S3 und eines unteren Schalters S2, S4. Die Schalter sind bevorzugt als MOSFET ausgeführt, können aber auch als andere Halbleiterschalter ausge führt sein. Im Fall von MOSFETS ist Source des jeweils oberen Schalters S1, S3 mit Drain des jeweils unteren Schalters S2, S4 an einem Verbindungspunkt verbunden. Der linke Halbbrückenzweig weist einen Verbindungspunkt A auf und der rechte Halbbrückenzweig weist einen Verbindungspunkt B auf. An den Verbindungspunkten A und B liegt jeweils eine Halbbrückenspannung gegenüber dem Bezugspotenzial an. Die Steueranschlüsse der Schalter sind mit einem Controller verbunden. Der Controller umfasst einen Oszillator, der eine Betriebsfrequenz erzeugt, mit der die Steueranschlüsse der Schalter S1, S2, S3 und S4 angesteuert werden. Dabei werden die Schalter eines Halbbrückenzweig abwechselnd angesteuert. Damit entsteht an den Verbindungspunkten A und B bezüglich dem Bezugspotenzial jeweils eine rechteckförmige Wechselspannung UA bzw. UB, deren Amplitude der Speisespannung folgt und deren jeweilige Frequenz der Betriebsfrequenz entspricht. Zwischen den Verbindungspunkten A und B liegt der Brückenzweig, an dem eine Brückenspannung UAB anliegt. Die Brückenspannung UAB stellt die Wechselrichterausgangsspannung des Vollbrückenwechselrichters dar. Über die Phase φ zwischen den Spannungen UA und UB ist der Effektivwert der Brückenspannung UAB einstellbar.
In den Brückenzweig ist eine Serienschaltung bestehend aus einer Lampendrossel L1 und einem Parallelkondensator Cp geschaltet. Die Lampendrossel L1 und der Parallelkondensator Cp sind an einem Verbindungspunkt 5 verbunden. Zwischen dem Verbindungspunkt 5 und dem Verbindungspunkt A ist die Serienschaltung aus einer Lampe Lp und einem Serienkondensator Cs geschaltet. Die Lampe Lp und der Serienkondensator Cs sind an einem Verbindungspunkt 6 verbunden. Die Verbindungspunkte B und 6 können Klemmen zugeführt werden an denen dann eine Lampe anschließbar ist. Die Lampendrossel L1, der Parallelkondensator Cp und der Serienkondensator Cs bilden das Koppelnetzwerk. Der Parallelkondensator Cp bewirkt bei bestimmten Betriebsfrequenzen eine Resonanzüberhöhung und kann entfallen. Der Serienkondensator Cs unterdrückt Gleichstromanteile im Lampenstrom IL und kann ebenfalls entfallen. Nicht dargestellt ist eine Zündeinrichtung, die zur Inbetriebnahme der Lampe kurzfristig eine Hochspannung bereitstellt.
Das Koppelnetzwerk bewerkstelligt eine Impedanztransformation von der Wechselspannung UAB zur Lampe. Es kann auch einen Transformator enthalten. Die Impedanztransformation des Koppelnetzwerks weist eine Übertragungsfunktion auf, die die Frequenzabhängigkeit des Lampenstroms IL bezogen auf die Wechselspannung UAB beschreibt. Im vorliegenden Fall hat die Übertragungsfunktion Bandpasscharakter. Bei üblichen Dimensionierungen liegt die Betriebsfrequenz oberhalb der Resonanzfrequenz der Übertragungsfunktion. Oberhalb der Resonanzfrequenz weist die Übertragungsfunktion einen Tiefpasscharakter auf.
Der Controller umfasst einen Modulator mit einem Modulatorausgang. Der Modulatorausgang ist derart mit dem Oszillator gekoppelt, dass die Betriebsfrequenz vom Modulator beeinflussbar ist. Der Modulator bewirkt, dass der Oszillator eine Betriebsfrequenz erzeugt, die fortwährend in einem Bereich zwischen einer Minimalfrequenz und einer Maximalfrequenz pendelt. In den meisten Anwendungen ist der zeitliche Verlauf der Betriebsfrequenz periodisch mit einer Modulationsfrequenz. Ein typischer Wert für die Modulationsfrequenz liegt im 100 Hz Bereich. Durch eine geeignete Wahr der Modulationsfrequenz können gezielt akustische Resonanzen in der Lampe angeregt werden, beispielsweise zur Durchmischung Gasfüllung der Lampe oder zur Begradigung des Entladungsbogens. Sollen akustische Resonanzen vermieden werden, so kann der zeitliche Verlauf der Betriebsfrequenz auch nicht periodisch sein; z. B. von einem Rauschgenerator gesteuert.
Der Modulator kann auch durch einen Mikrokontroller realisiert sein, in dem durch eine Software eine Modulatorkennlinie zur Steuerung der Phase abgelegt ist. Die Modulatorkennlinie kann auch in einem Optimierungsprozess auf eine zu betreibende Lampe abgestimmt werden. In die Modulatorkennlinie können auch andere frequenzabhängige Effekte, die nicht im Koppelnetzwerk begründet sind, berücksichtigt werden. Beispielsweise können Zuleitungen oder die Lampe selbst eine Frequenzabhängigkeit aufweisen.
2 zeigt den zeitlichen Verlauf von Spannungen des Vollbrückenwechselrichters aus 1. Auf eine Skalierung wurde verzichtet, da prinzipielle Zusammenhänge erläutert werden sollen. Üblicherweise liegen die dargestellten Spannungen im Be reich zwischen 10 V und 500 V. Die Frequenz der dargestellten Zeitverläufe liegt im Bereich der oben erwähnten Bereiche für die Betriebsfrequenz. Oben ist der zeitliche Verlauf der Spannung UA dargestellt. Die Spannung UA liegt zwischen dem Verbindungspunkt A und dem Bezugspotenzial 4 an. In der Mitte ist der zeitliche Verlauf der Spannung UB dargestellt. Die Spannung UB liegt zwischen dem Verbindungspunkt B und dem Bezugspotenzial 4 an. Unten ist der zeitliche Verlauf der Spannung UAB dargestellt. Die Spannung UAB liegt zwischen dem Verbindungspunkt A und dem Verbindungspunkt B und stellt die Brückenspannung dar, die über das Koppelnetzwerk der Lampe zugeführt wird.
Deutlich ist zu erkennen, dass die Spannung UAB nur dann nicht Null ist, wenn die momentanen Spannungen UA und UB unterschiedlich sind. Über die Phase φ kann somit die Zeitdauer eingestellt werden, für die jeweils die Speisespannung bzw. die negative Speisespannung an den Verbindungspunkten A und B anliegt. Der Effektivwert der Spannung UAB ist damit durch die Phase φ einstellbar. Für den Wert φ = 0 ist der Effektivwert der Spannung UAB gleich Null. Für den Wert φ = 180 Grad bzw. φ = π ist der Effektivwert der Spannung UAB gleich dem Wert der Speisespannung. Falls die Speisespannung nicht konstant ist, wirkt sich dies proportional auf die Brückenspannung UAB aus. Schwankungen oder eine Modulation der Speisespannung können mit Hilfe der Phase φ ausgeglichen werden. Dazu wertet der Controller die Speisespannung derart aus, dass bei steigender Speisespannung die Phase abnimmt.
3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Einhüllenden der Lampenspannung aus 1, d. h. der Spannung zwischen den Verbindungspunkten 6 und B. In 3 ist ein Verlauf der Lampenspannung dargestellt, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Phase φ ist konstant gehalten und nicht an den zeitlichen Verlauf der Betriebsfrequenz angepasst, um die Übertragungsfunktion des Koppelnetzwerks zu kompensieren. Deutlich ist zu erkennen, wie die Lampenspannung mit einer Frequenz von ca. 100Hz, die der Modulationsfrequenz entspricht, variiert.
4 zeigt auch den zeitlichen Verlauf der Einhüllenden der Lampenspannung aus 1. Allerdings ist nun gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung die Phase φ an den zeitlichen Verlauf der Betriebsfrequenz angepasst. Die Anpassung ist vorteilhaft so gewählt, dass die Übertragungsfunktion des Koppelnetzwerks weitgehend kompensiert wird. Sowohl die untere als auch die obere Begrenzung der Einhüllenden Lampenspannung zeigt im Unterschied zu 3 kaum Schwankungen.

Claims

Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruck-Gasentladungslampe (Lp), wobei die Schaltungsanordnung folgende Merkmale aufweist: – einen Vollbrücken-Wechselrichter (S1, S2, S3, S4) mit zwei Halbbrückenzweigen und einem dazwischen liegenden Brückenzweig, wobei durch jeden Halbbrückenzweig in den Brückenzweig eine Halbbrückenspannung (UA, UB) einspeisbar ist; – die Halbbrückenspannungen (UA, UB) weisen eine, durch einen Controller einstellbare Phase (φ) zueinander auf, – die Hochdruck-Gasentladungslampe (Lp) ist mit dem Brückenzweig koppelbar, – der Vollbrücken-Wechselrichter (S1, S2, S3, S4) liefert an die Hochdruck-Gasentladungslampe (Lp) einen Lampenstrom (IL), der im wesentlichen ein Wechselstrom mit einer modulierten Betriebsfrequenz ist, die fortwährend in einem Bereich zwischen einer Minimalfrequenz und einer Maximalfrequenz pendelt, wobei die Schaltungsanordnung dadurch gekennzeichnet ist, dass der Controller die Phase (φ) abhängig von der Betriebsfrequenz so einstellt, dass mit steigender Betriebsfrequenz die Phase (φ) ansteigt.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen Maximalfrequenz und Minimalfrequenz mindestens 10 kHz ergibt.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Halbrückenzweig zwei Schalter (S1/S2, S3/S4) aufweist und der Controller die Steuersignale für die Schalter (S1, S2, S3, S4) bereitstellt und weiterhin der Controller einen Oszillator umfasst, der die Betriebsfrequenz festlegt und ein Modulator den Oszillator so steuert, dass die Betriebsfrequenz einen zeitlichen Verlauf zwischen der Minimalfrequenz und der Maximalfrequenz auf weist, und weiterhin der Modulator die Phase (φ) steuert.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Vollbrücken Wechselrichter (S1, S2, S3, S4) und die Lampe (Lp) ein Koppelnetzwerk (L1, Cs, Cp) geschaltet ist, das eine Übertragungsfunktion aufweist, die die Abhängigkeit der Amplitude des Lampenstroms (IL) von der Betriebsfrequenz beschreibt, und weiterhin der Modulator den zeitlichen Verlauf der Phase (φ) durch eine Modulatorkennlinie so auf den zeitlichen Verlauf der Betriebsfrequenz synchronisiert, dass der zeitliche Verlauf der Phase die Wirkung der Übertragungsfunktion kompensiert.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dann wenn die Betriebsfrequenz den Wert der Maximalfrequenz annimmt, die Phase (φ) den Wert 180 Grad oder π annimmt.
Schaltungsanordnung gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsspektrum der Leistung einer betriebenen Lampe (Lp) gleichverteilt ist.
Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsspektrum der Leistung einer betriebenen Lampe (Lp) monoton mit der Frequenz ansteigt.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator einen linearen Zusammenhang zwischen Phase (φ) und Betriebsfrequenz herstellt.
Schaltungsanordnung gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Controller einen Messeingang aufweist, der mit einer Messgröße für die Amplitude des Lampenstroms (IL) gekoppelt ist wobei der Controller zu jedem Zeitpunkt eine Phase einstellt, die eine näherungsweise konstante Amplitude des Lampenstroms (IL) bewirkt.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der Phase (φ) sinusförmig, dreieckförmig oder sägezahnförmig ist.
Schaltungsanordnung gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speisespannung (Us) den Vollbrücken-Wechselrichter (S1, S2, S3, S4) speist und der Controller die Speisespannung (Us) derart auswertet, dass bei steigender Speisespannung die Phase (φ) abnimmt.
Schaltungsanordnung gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrückenzweige jeweils einen ersten (S1/S3) und einen zweiten (S2/S4) elektronischer Schalter umfassen, wobei der jeweils erste Schalter (S1/S3) während einer ersten Einzeit eingeschaltet ist und der jeweils zweite Schalter (S2/S4) während einer darauf folgenden zweiten Einzeit eingeschaltet ist, und weiterhin setzt sich die erste und die zweite Einzeit jeweils aus einer Grundzeit und einer Asymmetriezeit zusammen, wobei die Grundzeiten für beide Einzeiten gleich sind, während die Asymmetriezeiten betragsmäßig gleich sind aber unterschiedliches Vorzeichen aufweisen und weiterhin die Asymmetriezeiten einen zeitlichen Verlauf mit einer Wechsel-Frequenz aufweisen, die kleiner ist als ein Zehntel der Minimalfrequenz.
Verfahren zum Betreiben von Hochdruck-Entladungslampen mit einem Vollbrücken-Wechselrichter (S1, S2, S3, S4) mit zwei Halbbrückenzweigen und einem Brückenzweig, mit folgenden Verfahrensschritten: – koppeln einer Hochdruck-Entladungslampe (Lp) an den Brückenzweig; – der Brückenzweig wird durch zwei Halbbrückenspannungen (UA, UB) gespeist, die von den Halbbrückenzweigen erzeugt werden; – eine Phase (φ), die die Halbbrückenspannungen (UA, UB) zueinander aufweisen, wird durch einen Controller eingestellt, – ein Lampenstrom (IL), den der Vollbrücken-Wechselrichter (S1, S2, S3, S4) an die Hochdruck-Gasentladungslampe (Lp) liefert, weist eine Betriebsfrequenz auf, die fortwährend in einem Bereich zwischen einer Minimalfrequenz und einer Maximalfrequenz variiert wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die Phase (φ) abhängig von der Betriebsfrequenz so eingestellt wird, dass mit steigender Betriebsfrequenz die Phase (φ) ansteigt.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase (φ) abhängig von der Betriebsfrequenz so einstellt wird, dass das Leistungsspektrum der an die Hochdruck-Entladungslampe (Lp) abgegebenen Lampenleistung gleichverteilt ist.