-
Die
Erfindung betrifft ein Lampenvorschaltgerät, insbesondere ein Lampenvorschaltgerät zur Verwendung
mit einer Hochintensitätsentladungslampe
(HID – High
Intensity Discharge).
-
Lampenvorschaltgeräte können mit über Gleichstrom
angesteuerten (DC-angesteuerten) HID-Lampen
und über
Wechselstrom angesteuerten (AC-angesteuerten)
HID-Lampen verwendet werden und werden somit dementsprechend kategorisiert. Die
AC-angesteuerte HID-Lampe wird wegen einer längeren Lebensdauer gegenüber der
DC-angesteuerten HID-Lampe
bevorzugt.
-
Jedoch
kann eine Druckwelle, die durch Gas in der AC-angesteuerten HID-Lampe erzeugt wird, wenn
das Gas von einem elektrischen Lichtbogen in der AC-angesteuerten
HID-Lampe angetrieben wird, von der Phase her gleich einer reflektierten
Druckwelle sein und die beiden können
zusammen eine Stehwelle bilden. Da die Frequenz der Stehwelle innerhalb
eines akustischen Frequenzbereichs abfällt, wird dieses Phänomen oftmals
als "akustische
Resonanz" bezeichnet.
Die akustische Resonanz verursacht verschiedene abträgliche Effekte
in den AC-angesteuerten HID-Lampen
wie etwa eine Verzerrung des Entladungswegs, Lichtbogeninstabilität, flimmernde
Ausgabe usw.
-
Aus
dem US-Patent Nr. 6,686,703 B2 ist ein Lampenvorschaltgerät bekannt,
das einen elektrischen Strom zum Ansteuern einer HID-Lampe erzeugt,
die in ihrer Einhüllenden
eine niederfrequente Komponente zum Zerstören der in der HID-Lampe ausgebildeten
Stehwelle enthält,
wodurch akustische Resonanz vermieden wird. Es sind jedoch verschiedene
Bestandteile und mehrere Bearbeitungsschritte erforderlich, um die
niederfrequente Komponente herzustellen, wodurch die Herstellungskosten
hoch werden und die Schaltungsbearbeitung kompliziert wird.
-
Deshalb
besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung
eines Lampenvorschaltgeräts,
das in der Lage ist, akustische Resonanz zu vermeiden.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Lampenvorschaltgerät bereitgestellt, das folgendes enthält: eine
Gleichrichtungsschaltung zum Gleichrichten eines Wechselstromleistungssignals
in ein pulsierendes Gleichstromleistungssignal und eine elektrisch
an die Gleichrichtungsschaltung gekoppelte Konvertierungsschaltung
zum Konvertieren des pulsierenden Gleichstromleistungssignals in
ein Wechselstromansteuersignal, geeignet zum Ansteuern des Betriebs
einer Lampe. Das pulsierende Gleichstromleistungssignal weist eine
Frequenz auf, die das Doppelte der des Wechselstromleistungssignals
beträgt
und die unter einem Frequenzbereich einer akustischen Resonanz liegt.
Das Wechselstromansteuersignal weist eine Wellenform auf, die bei einer
hohen Frequenz variiert und die ein Positivwellen-Einhüllendensegment
und ein Negativwellen-Einhüllendensegment
aufweist. Jedes des Positivwellen-Einhüllendensegments und des Negativwellen-Einhüllendensegments
weist eine Frequenz entsprechend der des pulsierenden Gleichstromleistungssignals
auf. Das Positivwellen-Einhüllendensegment
und das Negativwellen-Einhüllendensegment
sind Spiegelbilder voneinander bezüglich einer Zeitachse.
-
Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich in
der folgenden ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
-
1 ein
Blockdiagramm der ersten bevorzugten Ausführungsform eines Lampenvorschaltgeräts gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
2(a) eine Kurve einer Grundfrequenzkomponente
eines Wechselstromleistungssignals der ersten bevorzugten Ausführungsform;
-
2(b) eine Kurve eines pulsierenden Gleichstromleistungssignals
der ersten bevorzugten Ausführungsform;
-
2(c) eine Kurve eines Wechselstromansteuersignals
der ersten bevorzugten Ausführungsform;
-
3 bis 10 Schaltungsdiagramme
von beispielhaften Implementierungen einer Konvertierungsschaltung
für die
erste bevorzugte Ausführungsform;
-
11 ein
Blockdiagramm der zweiten bevorzugten Ausführungsform eines Lampenvorschaltgeräts gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
12 ein
Blockdiagramm der dritten bevorzugten Ausführungsform eines Lampenvorschaltgeräts gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
13 Kurven
der jeweiligen pulsierenden Gleichstromleistungssignale am Eingangs-
und Ausgangsende einer Leistungsfaktorkorrekturtransformierungsschaltung
der dritten bevorzugten Ausführungsform;
-
14(a) eine Kurve des von der Leistungsfaktorkorrekturtransformierungsschaltung
der dritten bevorzugten Ausführungsform
ausgegebenen pulsierenden Gleichstromleistungssignals;
-
14(b) eine Kurve des Wechselstromansteuersignals
der dritten bevorzugten Ausführungsform;
-
15 ein
Blockdiagramm der vierten bevorzugten Ausführungsform eines Lampenvorschaltgeräts gemäß der vorliegenden
Erfindung und
-
16 ein
Blockdiagramm der fünften
bevorzugten Ausführungsform
eines Lampenvorschaltgeräts
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
-
Bevor
die vorliegende Erfindung ausführlicher
beschrieben wird, sei angemerkt, dass in der Offenbarung gleiche
Elemente mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind.
-
Unter
Bezugnahme auf 1 ist die erste bevorzugte Ausführungsform
eines Lampenvorschaltgeräts
gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Verwendung mit einer Hochintensitätsentladungslampe (HID) 4 ausgelegt
und enthält
ein Oberwellenfilter 31, eine Gleichrichtungsschaltung 32 und
eine Konvertierungsschaltung 33.
-
Das
Oberwellenfilter 31 ist zum Anschluss an eine kommerzielle
Wechselstromleistungsquelle (AC) ausgelegt, um von dort ein Wechselstromleistungssignal
zu empfangen. Das Oberwellenfilter 31 ist in der Lage,
Oberwellenkomponenten des Wechselstromleistungssignals zu entfernen,
wodurch nur die Grundfrequenzkomponente zurückbleibt.
-
Die
Gleichrichtungsschaltung 32 ist elektrisch an das Oberwellenfilter 31 gekoppelt,
um das Wechselstromleistungssignal in ein pulsierendes Gleichstromleistungssignal
(DC) gleichzurichten. Bei dieser Ausführungsform ist die Gleichrichtungsschaltung 32 ein
Vollwellendiodenbrückengleichrichter, der
eine erste, zweite, dritte und vierte Diode (D1, D2, D3, D4) enthält. Die
erste und zweite Diode (D1, D2) sind in Reihe geschaltet, um eine
erste Diodenkette zu bilden, und die dritte und vierte Diode (D3,
D4) sind in Reihe geschaltet, um eine zweite Diodenkette zu bilden.
Die erste und zweite Diodenkette sind parallel zueinander geschaltet.
Es sei hierin angemerkt, dass das pulsierende Gleichstromleistungssignal eine
Frequenz aufweist, die das Doppelte der des Wechselstromleistungssignals
beträgt
und dass sie unter einem Frequenzbereich einer akustischen Resonanz
liegt. Allgemein gesprochen liegt die Frequenz des Wechselstromleistungssignals
von der kommerziellen Wechselstromleistungsquelle im Bereich von
50 bis 60 Hz. Deshalb liegt die Frequenz des pulsierenden Gleichstromleistungssignals
im Bereich von 100 bis 120 Hz. Dieser Frequenzbereich von 100 bis
120 Hz fällt
unter den Frequenzbereich für
eine akustische Resonanz ab.
-
Die
Konvertierungsschaltung 33 ist elektrisch an die Gleichrichtungsschaltung 32 gekoppelt, um
das pulsierende Gleichstromleistungssignal in ein Wechselstromansteuersignal
zu konvertieren, das sich für
den Ansteuerbetrieb der HID-Lampe 4 eignet. Die Konvertierungsschaltung 33 enthält mehrere
in 1 nicht gezeigte Schalter. Die Konvertierungsschaltung 33 verwendet
die Leitung der Schalter zum Konvertieren des pulsierenden Gleichstromleistungssignals
in das Wechselstromansteuersignal. Es sei hierin angemerkt, dass
die Schaltfrequenz der Schalter mit der Spannung des pulsierenden
Gleichstromleistungssignals variiert.
-
Außerdem weist
das Wechselstromansteuersignal eine Wellenform auf, die bei einer
hohen Frequenz variiert und die ein Positivwellen-Einhüllendensegment
und ein Negativwellen-Einhüllendensegment
aufweist. Jedes des Positivwellen-Einhüllendensegments und des Negativwellen-Einhüllendensegments
weist eine Frequenz auf, die der des pulsierenden Gleichstromleistungssignals
entspricht (zum Beispiel von 100 bis 120 Hz). Mit anderen Worten
ist die Frequenz jedes des Positivwellen-Einhüllendensegments
und des Negativwellen-Einhüllendensegments
niedriger als der Frequenzbereich für akustische Resonanz. Während das
für den
Ansteuerbetrieb der HID-Lampe 4 geeignete Wechselstromansteuersignal
eine Wellenform aufweist, die bei einer hohen Frequenz variiert,
liegt deshalb eine niederfrequente Einhüllende vor, um in der HID-Lampe 4 ausgebildete
Stehwellen zu zerstören,
wodurch das Phänomen
der akustischen Resonanz vermieden wird.
-
Die 2(a) bis 2(c) veranschaulichen
Wellenformen der Signale in verschiedenen Stadien im Lampenvorschaltgerät der ersten
bevorzugten Ausführungsform.
Insbesondere zeigt 2(a) die Wellenform
des Wechselstromleistungssignals an einem Ausgangsende des Oberwellenfilters 31,
das durch die Gleichrichtungsschaltung 32 gleichgerichtet
werden soll. 2(b) zeigt die Wellenform
des pulsierenden Gleichstromleistungssignals an einem Ausgangsende
der Gleichrichtungsschaltung 32, das von der Konvertierungsschaltung 33 konvertiert
werden soll. Die Wellenform des pulsierenden Gleichstromleistungssignals
ist im wesentlichen gleich einer Wellenform, die entsteht, indem
negative Halbwellen einer sinusförmigen
Wechselstromwelle bezüglich
einer Zeitachse umgeklappt werden. Zudem beträgt die Frequenz des pulsierenden
Gleichstromleistungssignals das Doppelte der des Wechselstromleistungssignals. 2(c) veranschaulicht die Wellenform des
Wechselstromansteuersignals an einem Ausgangsende der Konvertierungsschaltung 33.
Die Wellenform des Wechselstromansteuersignals weist Positiv- und
Negativwellen-Einhüllendensegmente auf,
die bezüglich
der Zeitachse Spiegelbilder voneinander sind. Außerdem liegt die Wellenform
des Wechselstromansteuersignals in Form einer Impulsfolge vor, die
mit der hohen Frequenz variiert.
-
Gemäß der ersten
bevorzugten Ausführungsform
kann die Konvertierungsschaltung 33 als eine selbsterregte
Halbbrücken-Konvertierungsschaltung
implementiert sein. In 3 und 4 sind zwei
beispielhafte Implementierungen der selbsterregten Halbbrücken-Konvertierungsschaltung
gezeigt. Bei beiden dieser beispielhaften Implementierungen enthält die selbsterregte
Halbbrücken-Konvertierungsschaltung
mehrere Schalttransistoreinheiten (Q) und einen elektrisch an die
Schalttransistoreinheiten (Q) gekoppelten Mehrfachwicklungsausgangstransformator
(Tf) zum Steuern der Leitung der Schalttransistoreinheiten (Q).
Bei den in 3 und 4 gezeigten
beispielhaften Implementierungen enthält der Mehrfachwicklungsausgangstransformator
(Tf) drei Wicklungen (Tf1, Tf2, Tf3).
-
Wie
in 5 gezeigt, kann die Konvertierungsschaltung 33 auch
als eine selbsterregte Vollbrücken-Konvertierungsschaltung
implementiert sein, die mehrere Schalttransistoreinheiten (Q) und einen
elektrisch an die Schalttransistoreinheiten (Q) gekoppelten Mehrfachwicklungsausgangstransformator
(Tf) zum Steuern der Leitung der Schalttransistoreinheiten (Q) enthält. Bei
dieser beispielhaften Implementierung enthält der Mehrfachwicklungsausgangstransformator
(Tf) fünf
Wicklungen (Tf1, Tf2, Tf3, Tf4, Tf5).
-
Wie
in 6 gezeigt, kann die Konvertierungsschaltung 33 auch
als eine selbsterregte Push-Pull-Konvertierungsschaltung implementiert sein,
die mehrere Schalttransistoreinheiten (Q), einen Mehrfachwicklungsausgangstransformator
(Tf) und eine Induktionsspule (L) enthält. Bei dieser beispielhaften
Implementierung enthält
der Mehrfachwicklungsausgangstransformator (Tf) vier Wicklungen
(Tf1, Tf2, Tf3, Tf4). Die Induktionsspule (L) konvertiert eine Eingangsspannung
in einen Eingangsstrom, und der Mehrfachwicklungsausgangstransformator
(Tf) steuert die Leitung der Schalttransistoreinheiten (Q) und steuert
den Betrieb der HID Lampe 4 an.
-
Es
sei hierin angemerkt, dass, wenn die Konvertierungsschaltung 33 als
eine selbsterregte Konvertierungsschaltung implementiert ist, zum
Steuern der Leitung der Schalttransistoreinheiten (Q) keine zusätzliche
Steuerschaltung erforderlich ist.
-
Zudem
kann die Konvertierungsschaltung 33 auch als eine separat
erregte Halbbrücken-Konvertierungsschaltung
(wie in 7 und 8 gezeigt) eine
separat erregte Vollbrücken-Konvertierungsschaltung
(wie in 9 gezeigt), eine separat erregte Push-Pull-Konvertierungsschaltung
(wie in 10 gezeigt) usw. implementiert
sein, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die separat erregte Konvertierungsschaltung
enthält
hauptsächlich
mehrere Schalttransistoreinheiten (Q) und einen elektrisch an die
Schalttransistoreinheiten (Q) gekoppelten Treiber 331 zum Steuern
der Leitung der Schalttransistoreinheiten (Q) auf der Basis von
elektrischer Leistung, die die Konvertierungsschaltung 33 von
der Gleichrichtungsschaltung 32 empfängt.
-
Wie
in 11 gezeigt, unterscheidet sich die zweite bevorzugte
Ausführungsform
eines Lampenvorschaltgeräts
gemäß der vorliegenden
Erfindung dadurch von der ersten bevorzugten Ausführungsform,
dass die zweite bevorzugte Ausführungsform weiterhin
eine Detektionsschaltung 34 enthält.
-
Die
Detektionsschaltung 34 ist elektrisch an die Gleichrichtungsschaltung 32 gekoppelt,
um die von der Konvertierungsschaltung 33 von der Gleichrichtungsschaltung 32 empfangene
elektrische Leistung (z.B. elektrischen Strom) zu detektieren, und
ist elektrisch an die Konvertierungsschaltung 33 gekoppelt,
um ein Leistungsdetektionsergebnis dorthin zu liefern. Die Konvertierungsschaltung 33 justiert
eine Ausgabe davon auf der Basis des Leistungsdetektionsergebnisses
derart, dass der Betrieb der HID-Lampe 4 unter konstantem
Strom oder konstanter Leistung angesteuert wird.
-
Wie
in 12 gezeigt, unterscheidet sich die dritte bevorzugte
Ausführungsform
eines Lampenvorschaltgeräts
gemäß der vorliegenden
Erfindung dadurch von der ersten bevorzugten Ausführungsform,
dass die dritte bevorzugte Ausführungsform weiterhin
eine elektrisch zwischen die Gleichrichtungsschaltung 32 und
die Konvertierungsschaltung 33 gekoppelte Leistungsfaktorkorrekturtransformierungsschaltung 35 enthält.
-
Bei
dieser Ausführungsform
enthält
die Leistungsfaktorkorrekturtransformierungsschaltung 35 eine
Induktionsspule (L), einen Schalter (S), eine Diode (D) und einen
Kondensator (C) mit sehr kleiner Kapazität.
-
Ein
erster Anschluss der Induktionsspule (L) ist elektrisch an einen
ersten Anschluss des Schalters (S) und eine Anode der Diode (D)
gekoppelt. Eine Kathode der Diode (D) ist elektrisch an einen ersten
Anschluss des Kondensators (C) gekoppelt. Ein zweiter Anschluss
des Kondensators (C) ist elektrisch an einen zweiten Anschluss des
Schalters (S) gekoppelt. Eine Spannung an einem zweiten Anschluss
der Induktionsspule (L) und dem zweiten Anschluss des Kondensators
(C) ist das von der Gleichrichtungsschaltung 32 ausgegebene
pulsierende Gleichstromleistungssignal.
-
Wenn
der Schalter (S) offen ist, gestattet die Diode (D), dass ein Entladestrom
der Induktionsspule (L) dort hindurchfließt, wodurch der Kondensator (C)
aufgeladen wird.
-
Da
die Kapazität
des Kondensators (C) sehr klein ist, justiert die Leistungsfaktorkorrekturtransformierungsschaltung 35 die
Spannung des an die Konvertierungsschaltung 33 zu liefernden
pulsierenden Gleichstromleistungssignals ohne Variieren der Wellenform
des pulsierenden Gleichstromleistungssignals, wie durch die Wellenformen
der pulsierenden Gleichstromleistungssignale am Eingangs- und Ausgangsende
der in 13 gezeigten Leistungsfaktorkorrekturtransformierungsschaltung 35 dargestellt. Zudem
justiert die Leistungsfaktorkorrekturtransformierungsschaltung 35 die
Spannung des pulsierenden Gleichstromleistungssignals ohne Variieren
der Frequenz des pulsierenden Gleichstromleistungssignals. Zudem
kann der Kondensator (C) eine relativ größere Kapazität aufweisen,
um dazu zu führen, dass
die Leistungsfaktorkorrekturtransformierungsschaltung 35 die
Spannung des pulsierenden Gleichstromleistungssignals derart justiert,
dass jedes des Positivwellen-Einhüllendensegments
und des Negativwellen-Einhüllendensegments
einen Gleichstromoffset bezüglich
der Zeitachse aufweist. Bei dieser Implementierung jedoch bleiben
die Frequenz und die Wellenform des pulsierenden Gleichstromleistungssignals
durch die Leistungsfaktorkorrekturtransformierungsschaltung 35 unverändert.
-
Außerdem ist
die Leistungsfaktorkorrekturtransformierungsschaltung 35 konfiguriert,
zu bewirken, dass die Phase des Stroms des Wechselstromleistungssignals
im wesentlichen gleich der Phase der Spannung des Wechselstromleistungssignals
ist.
-
Die
Spannung am Kondensator (C) ist das pulsierende Gleichstromleistungssignal,
das von der Konvertierungsschaltung 33 in das Wechselstromansteuersignal
konvertiert werden soll.
-
In 14(a) ist eine beispielhafte Wellenform
des von der Leistungsfaktorkorrekturtransformierungsschaltung 35 der
dritten bevorzugten Ausführungsform
ausgegebenen pulsierenden Gleichstromleistungssignals, wobei in
das pulsierende Gleichstromleistungssignal ein Gleichstromoffset eingeführt ist,
gezeigt. 14(b) zeigt eine Wellenform
des von der Konvertierungsschaltung 33 ausgegebenen Wechselstromansteuersignals,
wobei Wellenformen des Positivwellen-Einhüllendensegments und
des Negativwellen-Einhüllendensegments
im wesentlichen gleich der des pulsierenden Gleichstromleistungssignals
sind, d.h. mit einem Gleichstromoffset, und Spiegelbilder voneinander
bezüglich der
Zeitachse sind.
-
Wie
in 15 gezeigt, unterscheidet sich die vierte bevorzugte
Ausführungsform
eines Lampenvorschaltgeräts
gemäß der vorliegenden
Erfindung dadurch von der dritten bevorzugten Ausführungsform,
dass die vierte bevorzugte Ausführungsform weiterhin
ein elektrisch an die Leistungsfaktorkorrekturtransformierungsschaltung 35 gekoppelte
Detektierungsschaltung 34 zum Detektieren der elektrischen
Leistung (z.B. des elektrischen Stroms) enthält, die die Konvertierungsschaltung 33 von
der Leistungsfaktorkorrekturtransformierungsschaltung 35 empfängt. Die
Detektierungsschaltung 34 ist weiterhin elektrisch an die
Konvertierungsschaltung 33 gekoppelt, um dorthin ein Leistungsdetektionsergebnis
zu liefern. Die Konvertierungsschaltung 33 justiert eine
Ausgabe davon auf der Basis des Leistungsdetektionsergebnisses,
so dass der Betrieb der HID-Lampe 4 unter einem konstanten
Strom oder einer konstanten Leistung angesteuert wird.
-
Wie
in 16 gezeigt, unterscheidet sich die fünfte bevorzugte
Ausführungsform
eines Lampenvorschaltgeräts
gemäß der vorliegenden
Erfindung dadurch von der dritten bevorzugten Ausführungsform,
dass die fünfte
bevorzugte Ausführungsform weiterhin
eine elektrisch an die Leistungsfaktorkorrekturtransformierungsschaltung 35 gekoppelte
Detektierungsschaltung 34 zum Detektieren der elektrischen
Leistung (z.B. des elektrischen Stroms) enthält, die die Konvertierungsschaltung 33 von
der Leistungsfaktorkorrekturtransformierungsschaltung 35 empfängt, und
zum Liefern eines Leistungsdetektionsergebnisses zurück an die
Leistungsfaktorkorrekturtransformierungsschaltung 35. Die
Leistungsfaktorkorrekturtransformierungsschaltung 35 justiert eine
Ausgabe davon auf der Basis des Leistungsdetektionsergebnisses,
so dass der Betrieb der HID-Lampe 4 unter
einem konstanten Strom oder einer konstanten Leistung angesteuert
wird.
-
Es
sei hierin angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf den
Einsatz mit der kommerziellen Wechselstromleistungsquelle beschränkt ist. Das
heißt,
wenn eine andere Wechselstromleistungsquelle zur Verfügung steht,
kann die Gleichrichtungsschaltung 32 des Lampenvorschaltgeräts ebenfalls
elektrisch an die verfügbare
Wechselstromleistungsquelle gekoppelt werden, um das Wechselstromleistungssignal
direkt von dort unter Weglassung des Oberwellenfilters 31 gleichzurichten.
Zudem kann die Schaltfrequenz der Konvertierungsschaltung 33 bei
anderen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung bis zu 500 kHz oder 1 MHz betragen, sollte
aber nicht darauf beschränkt
sein.
-
Zusammengefaßt verwendet
die vorliegende Erfindung die niederfrequente Komponente, d.h. die niederfrequente
Einhüllende,
des der HID-Lampe 4 zugeführten Wechselstromansteuersignals,
um akustische Resonanz zu vermeiden. Insbesondere verwendet die
vorliegende Erfindung die niederfrequente Charakteristik des kommerziellen
Wechselstromleistungssignals, um dadurch ein Wechselstromansteuersignal
zu erzeugen, das Einhüllendensegmente
mit einer Frequenz aufweist, die das Doppelte der der Grundfrequenzkomponente
des Wechselstromleistungssignals beträgt. Im Vergleich zu dem US-Patent
Nr. 6,686,703 B2, wo ein komplizierter Schaltungs- und Steuermechanismus
erforderlich ist, ist die vorliegende Erfindung dadurch vorteilhaft, dass
ein viel einfacheres Design verwendet wird. Außerdem erfordert die vorliegende
Erfindung nicht die Verwendung eines Kondensators mit großer Kapazität, wodurch
Herstellungskosten reduziert und der Leistungsfaktor erhöht werden.