DE102009020883A1 - Vorschaltgerät für eine Gasentladungslampe und andere Leuchtmittel, bspw. LED - Google Patents

Vorschaltgerät für eine Gasentladungslampe und andere Leuchtmittel, bspw. LED Download PDF

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Johann W. Prof. Kolar
Jürgen Dr. Biela
Florian Giezendanner
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Transistors eines Betriebsgeräts für Leuchtmittel, wobei - der Steuereingang des Transistors mittels eines Transformators galvanisch entkoppelt ist, wobei der Steuereingang mit der Sekundärseite des Transformators verbunden ist und die Sekundärseite des Transformators eine erste und eine zweite gegensinnig gepolte und in Serie geschaltete Wicklungen aufweist, und - das Ein- bzw. Ausschalten des Steuereingangs durch transformatorische Übertragung von Strom- oder Spannungsimpulsen von einer Steuereinheit als Taktsignalquelle erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft die Ansteuerung eines Hochpotential(„Highside”)-Transistors, die bspw. Anwendung finden kann in einem Betriebsgerät für Leuchtmittel, beispielsweise einem Vorschaltgerät für eine Gasentladungslampe oder eine LED, und genauer gesagt bspw. in einem Wechselrichter in Form einer Halb- oder Vollbrücke.
  • Die Erfindung bezieht sich auch auf Beleuchtungssysteme.
  • Ein Vorschaltgerät mit einer Halbbrückenschaltung (Inverter) ist bekannt. Insbesondere dann, wenn hohe Leistungen geschaltet werden soll, werden als Schalterelemente des Inverters FETs, MOSFETs oder IGBTs verwendet. Diese Bauelemente zeichnen sich nicht nur dadurch aus, dass sie leistungsarm schalten, sondern auch dadurch, dass sie sehr schnell schalten. Allerdings sind die genannten Bauelemente mit sehr hochohmigen Eingängen (Gates) versehen, die auch eine Treiberschaltung mit einem sehr hochohmigen Ausgang erforderlich machen. Die Treiberschaltung muss sogar gewährleisten, dass zumindest das auf hohem Potential liegende („high side”) Schalterelement galvanisch gegen Masse isoliert ist. Dies ist dadurch möglich, dass eine Treiberschaltung mit Transformator eingesetzt wird, deren Primärwicklung und Sekundärwicklung nur induktiv gekoppelt, galvanisch aber getrennt sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Technik zur Ansteuerung eines Schaltelements vorzuschlagen, die insbesondere für die Verhältnisse in Vorschaltgeräten mit Vollbrücken- oder Halbbrücken-Wechselrichtern oder einem anderem Schaltregler (allgemein: getaktete Schaltungen) ausgelegt ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich dabei auf ein Verfahren zur Ansteuerung eines Transistors eines Betriebsgeräts für Leuchtmittel. Dabei
    • – ist der Steuereingang des Transistors mittels eines Transformators galvanisch entkoppelt ist, wobei der Steuereingang mit der Sekundärseite des Transformators verbunden ist und die Sekundärseite des Transformators eine erste und eine zweite gegensinning gepolte und in Serie geschaltete Wicklungen aufweist, und
    • – erfolgt das Ein- bzw. Ausschalten des Steuereingangs durch transformatorische Übertragung von Strom- oder Spannungsimpulsen von einer Steuereinheit als Taktsignalquelle.
  • Zum Einschalten des Transistors wird primärseitig ein Spannungsimpuls einer ersten Polarität erzeugt, über den der Transistor über die erste sekundärseitige Wicklung eingeschaltet wird und ein Entladetransistor, der im eingeschalteten Zustand den Steuereingang des Transistors entlädt, durch die zweite sekundärseitige Wicklung aktiv ausgeschaltet wird.
  • Zum Ausschalten des Transistors wird primärseitig ein Spannungsimpuls einer zweite, zu der ersten Polarität invertierten Polarität erzeugt, über den über die zweite sekundärseitige Wicklung ein Entladetransistor eingeschaltet wird, der somit den Steuereingang des Transistors entlädt, so dass dieser ausgeschaltet wird.
  • Die sekundärseitigen Wicklungen können mit einer Drossel eines Lastkreises integriert sein (also zusammen mit der Drossel des Lastkreises auf einen gemeinsamen Kern gewickelt sein), welcher Lastkreis mit dem Verbindungspunkt zweier in Serie geschalteter Transistoren verbunden ist, dessen potentialhöherer Transistor transformatorisch über Spannungsimpulse angesteuert wird.
  • Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf einen Halbbrücken- oder Vollbrücken-Wechselrichter oder anderen Schaltregler mit wenigstens einem Schalter. Dabei wird wenigstens ein Schalter mittels einem oben erläuterten Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche angesteuert.
  • Ein Vorschaltgerät für Gasentladungslampen, insbesondere HID-Lampen, kann einen derartigen Wechselrichter aufweisen.
  • Schliesslich bezieht sich die Erfindung auch auf Beleuchtungssysteme aufweisend wenigstens ein Vorschaltgerät (Betriebsgerät, „Konverter”) und wenigstens ein angeschlossenes Leuchtmittel.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.
  • 1 zeigt ein Vorschaltgerät zum Betreiben einer Gasentladungslampe,
  • 2 zeigt Signalverläufe in dem Vorschaltgerät,
  • 3 bis 5 zeigen Ausgestaltungen von Transformatoren als Potentialtrennung eines Highside-Transistors,
  • 6 bis 8 zeigen Ausführungsbeispiele von schematischen Schaltungen zur Ansteuerung eines Highside-Transistors,
  • 9 zeigt Signalverläufe in der Schaltung gemäss 7b,
  • 10 zeigt eine Schaltung zum Ansteuern einer LED,
  • 11 zeigt ein Vorschaltgerät zum Betreiben einer HID-Lampe,
  • 12 zeigt eine erfindungsgemässe Ansteuerschaltung für einen Highside-Transistor, und
  • 13 zeigt Signalverläufe in der erfindungsgemässen Schaltung von 12.
  • 1 zeigt ein Vorschaltgerät zum Betreiben einer Gasentladungslampe 2 (oder eines anderen Leuchtmittels wie bspw. einer oder mehrerer LEDs) in schematisierter Form. Das Vorschaltgerät besteht aus einem Lastkreis 1, einem Inverter 7, einer Treiberschaltung 11, einer Steuereinheit 15 und einer Versorgungsspannungseinheit 16. Der Lastkreis 1 enthält wie üblich einen Serienresonanzkreis, bestehend aus einer Drossel 4 und einem Ladekondensator 3. Der Verbindungspunkt zwischen der Drossel 4 und dem Ladekondensator 3 ist über eine Koppelkondensator 5 mit einer Elektrode der Gasentladungslampe 2 verbunden. Die andere Elektrode der Gasentladungslampe 2 liegt an Masse. Die Drossel 4 besteht aus einem nicht gezeigten Kern und einer Drosselwicklung D. Der von dem Ladekondensator 3 abgewandete Anschluss der Drossel 4 ist außerdem mit einem Anschluss eines Dämpfungskondensators („Snubber Cap”) verbunden, dessen anderer Anschluss an Masse liegt.
  • Der Inverter 7 ist eine Halbbrückenschaltung, bestehend aus zwei in Serie geschalteten MOSFETs 8, 9, die als elektronische Schalterelemente arbeiten. Die Serienschaltung aus den beiden MOSFETs 8, 9 liegt einerseits an einem hohen Gleichspannungspotential Vbus und andererseits an Masse. Der Verbindungspunkt 10 de Halbbrücke führt zum Lastkreis 1.
  • (Die Erfindung lässt sich natürlich auch auf Vollbrückenschaltungen anwenden.)
  • Die Eingänge (Gates) der beiden MOSFETs sind gegenüber Masse sehr hochohmig. Das macht es erforderlich, dass auch die entsprechenden Ausgänge der Treiberschaltung 11 sehr hochohmig sind. Im Falle des oben liegenden MOSFETs 8 besteht sogar die Forderung nach einer vollständigen galvanischen Trennung gegenüber Masse. Die Treiberschaltung 11 enthält dazu einen Transformator 14 mit einem (nicht dargestellten) Kern sowie einer Primärwicklung Tp und einer Sekundärwicklung Ts. Der eine Anschluss der Sekundärwicklung Ts ist mit dem Eingang des oben liegenden Treibers 12 verbunden, dessen Ausgang am Gate des MOSFETs 8 liegt. Der andere Anschluss der Sekundärwicklung Ts liegt am Brückenpunkt 10 der den Inverter 7 bildenden Halbbrückenschaltung. Auch das Gate des unten liegenden MOSFETs 9 wird von einem Treiber 13 angesteuert, der direkt zu der Steuereinheit 15 führt. Auch die Primärwicklung Tp des Transformators 14 wird von der Steuereinheit 15 versorgt.
  • Die Steuereinheit 15 liefert Schaltimpulse (ein/aus) an die Treiberschaltung 11. Dabei wird die Resonanz zwischen der Windungskapazität der Primärwicklung sowie ihrer Induktivität ausgenutzt. Wenn der Schaltimpuls „ein” ist, wird die Windungskapazität aufgeladen und der Transformator in einer Richtung magnetisiert. Der oben liegende MOSFET 8 ist dann auf Durchlass geschaltet, während der unten liegende MOSFET 9 gesperrt ist. Wenn dann der Schaltimpuls „aus” folgt, treibt der Transformator den Strom weiter und wird in die andere Richtung ummagnetisiert. Das führt dazu, dass der oben liegende MOSFET 8 gesperrt und der unten liegende MOSFET 9 auf Durchlass geschaltet wird.
  • Der Dämpfungskondensator 6 im Lastkreis ermöglicht ein Schalten der MOSFETs 8, 9 mit Null-Potential, und er wirkt außerdem als Filter gegen elektromagnetische Störfrequenzen, die eine Folge der Schaltvorgänge sind.
  • In 2(a) ist erkennbar, wie die beiden MOSFETs 8, 9 wechselweise leitend geschaltet werden.
  • 2(b) zeigt die Spannung vmp(t) am Brückenpunkt 10 des Inverters 7. Man erkennt, dass trapezförmige Schaltimpulse entstehen.
  • 2(c) zeigt den Verlauf des Stromes iL(t) durch die Drossel 4. Man erkennt, dass der Strom nahezu sinusförmig ist, was ein Anzeigen dafür ist, dass nahezu keine Oberwellen und damit Störungen erzeugt werden.
  • 2(d) zeigt den Verlauf des Stromes durch den Dämpfungskondensator 6. Es handelt sich um kleine Stromimpulse, die mit wechselnder Polarität in den Schaltpausen der MOSFETs 8, 9 auftreten. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die aus 2(a) ersichtlichen Schaltpausen Null-Potential haben.
  • Der Transformator 14 und die Drossel 4 in den 3 bis 5 haben einen gemeinsamen Kern 16, der aus gegeneinander gesetzten E-Teilkernen 17 und 18 besteht. Der Kern 16 hat zwei Außenschenkel 19 und 20 sowie einen Mittelschenkel 21. Der Mittelschenkel 21 ist von einem Luftspalt 24 unterbrochen und dadurch in zwei Teilschenkel 21a, 21b geteilt. Die drei Schenkel 19, 20, 21 sind an ihren beiden Enden jeweils von einem Querjoch 22, 23 überbrückt.
  • Die Primärwicklung Tp des Transformators 14 ist geteilt, wobei die eine Hälfte auf den Schenkel 19 und die andere Hälfte auf den Schenkel 20 gewickelt ist. Gleichermaßen ist die Sekundärwicklung Ts geteilt, wobei die eine Teilwicklung ebenfalls auf den Schenkel 19 und die andere ebenfalls auf den Schenkel 20 des gemeinsamen Kerns 16 gewickelt ist. Der Wicklungssinn wird später erläutert.
  • Die Drossel 4 besteht aus drei Drosselwicklungen D1, D2 und D3. Diese drei Drosselwicklungen können wahlweise in Serie geschaltet werden, im die Induktivität der Drossel verändern zu können. Auf jeden Fall sind alle drei Drosselwicklungen D1, D2 und D3 auf den Mittelschenkel 21 des gemeinsamen Kernes 16 gewickelt.
  • Nunmehr soll anhand der 4 und 5 erläutert werden, wie der Wicklungssinn der Primärwicklungen des Transformators 14 gewählt werden muss, damit der gewünschte Effekt erreicht wird. In 4 sind nur zwei Wicklungen gezeigt, von denen die obere einer der beiden Transformatorwicklungen in 3 entspricht, und von denen die untere einer der Drosselwicklungen in 3 entspricht.
  • Unter Bezugnahme auf 4 soll zunächst die auf dem Mittelschenkel unten sitzende Wicklung mit einer Spannung UD beaufschlagt werden, die in der Wicklung einen Strom iD erzeugt. Durch den Strom iD wird im Mittelschenkel ein magnetischer Fluss ϕD erzeugt, der sich in zwei Teilflüsse ϕD1 und ϕD2 aufteilt, die durch die Außenschenkel zurückfließen. Der Wicklungssinn der beiden Teilwicklungen der oberen Wicklung ist nun so gewählt, dass der in den beiden Teilwicklungen durch die beiden Teilflüsse ϕD1 und ϕD2 induzierte Strom zu Spannungen UR1 und UR2 führt, die sich gegenseitig aufheben, so dass am Eingang der oberen Wicklung UR = 0 entsteht. Das Ergebnis ist also: Die obere Wicklung ist von der unteren entkoppelt. Entscheidend ist, dass die Teilwicklungen so angebracht sind, dass sich die aufgrund der darin induzierten Ströme ergebenden Teilspannungen aufheben.
  • In 5 wird an die obere Wicklung eine Spannung UT angelegt, die einen Strom IT zur Folge hat. Aufgrund des Stromes wird in dem Kern ein Fluss ϕT erzeugt, der nur durch die beiden äußeren Schenkel des Kernes sowie die beiden Querjoche läuft, nicht aber durch den Mittelschenkel. Der Grund ist, dass der Mittelschenkel wegen seines Luftspaltes einen wesentlich höheren magnetischen Widerstand als die beiden Außenschenkel hat. Dadurch, dass der Mittelschenkel nicht durchflossen wird, wird in der auf diesen Mittelschenkel sitzenden unteren Wicklung kein Strom induziert. Damit ist auch die untere Wicklung von der oberen Wicklung entkoppelt.
  • Das für die beiden 4 und 5 dargelegte Prinzip ist in 3 mit zwei Transformatorwicklungen und drei Drosselwicklungen realisiert. Der Wicklungssinn ist jeweils der gleiche wie in den 4 und 5. Auch hier ist eine vollständige Entkopplung zwischen den Transformatorwicklungen einerseits und den Drosselwicklungen andererseits gewährleistet. Nicht entkoppelt sind jedoch – was auch nicht sein darf – die Primärwicklung Tp und die Sekundärwicklung Ts des Transformators 14. Dadurch, dass die Transformatorwicklungen Tp und Ts sowie die Drosselwicklungen D1, D2 und D3 alle auf dem gleichen Kern 16 sitzen, ist der Schaltungsaufwand um den normalerweise vorhandenen zweiten Kern in beachtlichem Maße reduziert worden.
  • Das vorstehend beschriebene Prinzip kann auch – unter Bezugnahme auf 3 – wie folgt abgewandelt werden: D1 und D2 können Transformatorwicklungen sein. Tp kann eine Drosselwicklung sein. D3 und Ts denkt man sich weg. Auch bei einer solchen abgewandelten Version sind die Transformatorwicklungen einerseits und die Drosselwicklung andererseits gegeneinander entkoppelt, während die beiden Transformatorwicklungen miteinander gekoppelt sind.
  • In 6 ist eine Schaltung zur Ansteuerung eines Transistors M1, insbesondere eines MOSFETs gezeigt. Vorzugsweise ist der Transistor M1 ein Transistor, der auf hohem Potential liegt (High Side) und beispielsweise mit einer DC-Busspannung eines Vorschaltgeräts der oben erläuterten Art versorgt ist. Daher soll das Gate des Transistors M1 in potentialgetrennter Weise angesteuert werden. Gemäß der in 6 gezeigten Ausgestaltung ist dazu eine Steuereinheit als Taktsignalquelle V1 vorgesehen, die die primärseitige Wicklung des Transformators T1 versorgt.
  • Dabei ist die Steuereinheit V1 derart ausgebildet, dass sie vorzugsweise bipolare Impulse von beispielsweise +/–12 V ausgeben kann.
  • Diese bipolaren Impulse werden über den Transformator T1 übertragen. Sekundärseitig ist ein erstes Schaltelement S1 vorgesehen, über das selektiv bei einem ersten Impuls der Steuereinheit V1 das Steuerelement (Transistor) M1 eingeschaltet werden kann. Dazu kann beispielsweise bei einem ersten Impuls über das Schaltungselement S1 der Steuereingang (Gate) des Transistors M1 aufgeladen werden. Erfindungsgemäß verbleibt dann der Schalter in diesem Zustand (beispielsweise eingeschaltet), auch wenn der Impuls wieder abgeklungen ist und somit an der Primärseite des Transistors T1 das Signal 0 V anliegt.
  • Zum Ausschalten des Schaltelements (Transistors) M1 wird ein weiterer Impuls von der Steuereinheit V1 verwendet. Dies kann vorzugsweise ein Impuls umgekehrter Polarität (beispielsweise –12 V) sein. Insbesondere kann ein weiteres Schaltungselement S2 derart an der Sekundärseite des Transformators T1 vorgesehen sein, dass der zweite Impuls eine Entladung des Steuereingangs (Gates) des Transistors M1 durch das zweite Steuerelement S2 auf Masse verursacht.
  • Dem Schaltelement M1 (Transistor) kann optional ein Ladungs- oder Energiespeicher C1 (zum Beispiel ein Kondensator) parallel geschaltet sein.
  • 7a zeigt eine erste schaltungstechnische Ausgestaltung des allgemeinen Schemas der Schaltung von 6. Dabei ist das erste Schaltungselement, das also zum Einschalten des Transistors durch Aufladen des Steuereingangs (Gates) dient, eine Diode D1.
  • Zum Entladen und somit zum Ausschalten des Transistors M1 ist eine Schaltung vorgesehen, die eine Zenerdiode D3 sowie einen Transistor Q1 aufweist.
  • In 8 ist eine Schaltung dargestellt, bei der das Entladen des Steuereingangs des Transistors M1 nicht durch ein aktives Element (wie der Transistor Q1 gemäß Ausführungsbeispiel von 7a) erfolgt, sondern durch ein weiteres passives Bauelement, nämlich eine Zenerdiode D2.
  • In der 7b, die im Wesentlichen der 7a entspricht, sind verschiedene Spannungen bezeichnet, die in dem Signalverlaufsdiagramm von 9 dargestellt sind.
  • Dort ist ersichtlich, dass durch einen ersten Impuls DRV+, der als Spannung VT1 auch die Sekundärwicklung des Transformators T1 transformiert wird, das Gate des Transistors M1 auf eine Durchschaltspannung VGate aufgeladen wird.
  • Auch bei einem zweiten positiven Impuls DRV+ bleibt dieser Einschaltzustand des Transistors M1 erhalten.
  • Ein Ausschalten durch Entladen des Gates erfolgt gemäß diesem Ausführungsbeispiel durch einen Impuls umgekehrter Polarität, nämlich mit einer Spannung DRV–, die als negativer Spannungsimpuls auf die Sekundärseite des Transistors T1 als Spannung V_T1 transformiert wird. Die vordere Flanke dieses Impulses verursacht dann das Entladen des Steuereingangs des Transistors M1 über ein passives oder ein aktives Bauelement.
  • Erfindungsgemäß können also eingangsseitig drei verschiedene Zustände erzeugt werden, nämlich ein Impuls erster Polarität, ein Impuls mit einer zweiten, dazu inversen Polarität, sowie der Zustand '0 V'.
  • Das erste Schaltungselement S1, das vorzugsweise als Diode D1 (normale Diode oder Zenerdiode) ausgebildet ist, leitet den positiven Impuls, d. h. den Übergang von beispielsweise 0 V auf +12 V von dem Transformator T1 auf das Gate des Transistors M1.
  • Bei einem Übergang von 0 V auf die negative Polarität (beispielsweise –12 V) schaltet die Zenerdiode D3 durch, was wiederum den Transistor Q1 durchschaltet, so dass das Gate des Transistors (beispielsweise Feldeffekttransistors) M1 entladen wird.
  • Es wird also ein getaktetes Signal von einer Quelle V1 bereitgestellt, wobei dieses getaktete Signal dann über den Übertrager T1 auf die Sekundärseite übertragen wird. Dort sind die Schaltungselemente S1 bzw. S2 vorgesehen, durch die wahlweise das Taktsignal auf das Gate des MOSFETs M1 geleitet werden kann, um diesen aufzuladen, bzw. das geladene Gate des MOSFETs M1 wieder entladen werden kann.
  • Ein besonderer Vorteil ist dabei, dass der dargestellte Betrieb auch mit sehr niedriger Impulsfolgefrequenz von beispielsweise weniger als 1 kHz, vorzugsweise weniger als 100 Hz oder gar nahezu DC-Betrieb erfolgen kann. Wenn der Schalter M1 Teil einer Vollbrücken- oder Halbbrücken-Wechselrichterschaltung ist, ist dieser Betrieb mit sehr niedriger Frequenz des Wechselrichters beispielsweise besonders vorteilhaft für Vorschaltgeräte für HID-Lampen.
  • Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, siehe 9, dass nach beispielsweise nach Einschalten des Transistors M1 durch einen Impuls erster Polarität dieser Impuls wiederholt wird, und zwar nach einem definierten zeitlichen Abstand (Taktung der Signalquelle), was ein 'Auffrischen' des Ladungszustands des Gates des Transistors M1 ermöglicht.
  • Die Steuereinheit als Taktsignalquelle kann also dazu ausgebildet sein, in einem vorbestimmten Takt Impulse auszugeben, unabhängig davon, ob der Zustand des Transistors M1 geändert werden soll. Für den Fall, dass der Zustand geändert werden soll, wird auf einen ersten Impuls ein zweiter Impuls mit umgekehrter Polarität ausgesendet. Für den Fall, dass der Zustand beibehalten werden soll, wird auf einen Impuls erster Polarität erneut ein Impuls derselben Polarität gesendet, was den Schaltungszustand des Transistors M1 bestätigt ('auffrischt').
  • Die drei verschiedenen Zustände, die eingangsseitig erzeugt werden können, müssen keine fix definierten Spannungspegel haben, sondern können in drei verschiedenen Wertbereichen liegen. So kann ein Impuls erster Polarität im Bereich von 10 V bis 15 V, ein Impuls mit einer zweiten, dazu inversen Polarität im Bereich von –10 V bis –15 V, sowie der Zustand '0 V' im Bereich von 5 V bis –5 V. Somit ist kein Taktsignal mit diskreten Werten notwendig, sondern es kann auch ein analoges Taktsignal mit entsprechender Signalform in den drei Spannungsbereichen verwendet werden.
  • 11 zeigt eine Betriebsschaltung einer HID(High Intensity Discharge)-Lampe mit einer Vollbrücke, wobei die beiden auf hohem Potential liegenden Schaltelemente S1 und S3 über eine erfindungsgemäße Ansteuerung angesteuert werden. (Die generelle Funktion der Schaltung zum Betrieb von HID-Lampen ist in der EP 1114571 B1 beschrieben.)
  • 10 zeigt einen Schaltregler zum Betrieb einer LED, dies ist eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Erfindung. Der Schaltregler ist als sog. Tiefsetzsteller oder auch Buck-Konverter ausgeführt und weist ein angesteuertes Schaltelement auf.
  • Durch eine Spannungsversorgung liegt eine geglättete und gleichgerichtete Zwischenkreisspannung V1 an (welche durch eine vorgelagerte Schaltung bereitgestellt werden kann, die einen Speicherkondensator speist).
  • Nach dem Anlegen einer geeignet dimensionierten Steuerspannung U_G an das Gate eines beispielsweise als selbstsperrender n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor realisierten ersten Halbleiter-Leistungsschalters M1 wird diese elektronisch steuerbare Schaltstufe elektrisch leitend, so dass ein Drain-Strom zu fließen beginnt, der infolge der als Energiespeicher wirkenden Speicherdrossel L10 kontinuierlich ansteigt und als Diodenstrom I_D durch die Lumineszenzdioden D10 (LED) hindurchfließt. Der Anstieg dieses Diodenstroms I_D bei Ladung des Speicherdrossel L10 wird von einem niederohmigen Messwiderstand R10 erfasst, der zugleich im Lastkreis des ersten Leistungsschalters M10 angeordnet und mit dem Masseknoten verbunden ist. Wenn der Diodenstrom I_D einen bestimmten Wert erreicht hat, wird der Leistungsschalter M10 geöffnet.
  • Dies hat zur Folge, dass der über die Speicherdrossel L10 aufgebaute Diodenstrom I_D durch eine Freilaufdiode DF im Parallelzweig zur Serienschaltung der Lumineszenzdioden D10 dem durch die Speicherdrossel L10 gebildeten induktiven Blindwiderstand XL10 und den niederohmigen Messwiderstand R10 abgeleitet wird. Mit Hilfe dieser verhältnismäßig einfachen schaltungstechnischen Maßnahme wird eine Gefährdung des ersten Halbleiter-Leistungstransistors M1 durch die beim Abschalten des Drain-Stroms I_D (beim Sperren von M10) am induktiven Blindwiderstand XL10 abfallende Induktionsspannung U_L10 vermieden, die ein Vielfaches der Betriebsspannung betragen kann. Die an dem niederohmigen Messwiderstand R10 abfallende Spannung U_R10 dient dabei zur Erfassung des durch die Lumineszenzdioden D10 fließenden Diodenstroms I_D im freilaufenden Strompfad. Die Schaltstufe M10 bleibt so lange gesperrt, bis der Stromfluss unter eine bestimmte Schwelle abgesunken ist. Nachdem die Schaltstufe M10 wieder zu leiten begonnen hat, wird der oben beschriebene Vorgang in periodisch wiederkehrender Folge fortgesetzt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren fließt also sowohl der Lade- als auch der Entladestrom I_L10 des induktiven Blindwiderstands XL10 als Diodenstrom I_D durch die Anordnung der seriell geschalteten Lumineszenzdioden D10 des erfindungsgemäßen LED-Beleuchtungsmoduls, so dass sich ein periodisch um einen Mittelwert pendelnder, dreieckförmiger Strom durch die LED ergibt.
  • Durch die Anordnung des Leistungsschalters M10 vor der Speicherdrossel L10 kann die LED D10 so angeordnet werden, dass sowohl der Lade- als auch der Entladestrom über einen Messwiderstand gegen Masse gemessen werden kann. Somit ist eine einfache Strommessung für beide Ströme möglich. Die Anordnung des Leistungsschalters M10 vor der Speicherdrossel L10 erfordert jedoch eine Ansteuerung auf hohem Potential liegenden Schaltelements. Diese Aufgabe kann durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Ansteuerverfahrens gelöst werden.
  • Die Überwachung des Stromflusses durch den Messwiderstand R10 übernimmt die Steuerschaltung 50, die das Ansteuersignal zum Ein- bzw. Ausschalten des Leistungsschalters M10 an die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung für das auf hohem Potential liegende Schaltelement (M10) überträgt.
  • Es sind auch anwenderspezifische integrierte Schaltungen (engl.: ”Application-Specific Integrated Circuits”, ASICs) mit einem vergleichsweise geringen Platzbedarf zur Implementierung der Steuereinheit 50 denkbar, deren Messwerterfassungsteil dabei keine hohe Spannungsfestigkeit haben muss.
  • Unter Bezugnahme der 12 und 13 wird nunmehr eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung erläutert. Wiederum zielt diese Schaltung auf eine Ansteuerung eines Highside- Transistors 8, der in Serie zu einem weiteren Transistor 9 geschaltet sein kann, um somit einen Halbbrücken-Wechselrichter zu bilden, oder zu mindest eine Hälfte eines Vollbrücken-Wechselrichters. Am Mittenpunkt 10 der beiden Transistoren 8, 9 kann wiederum ein Lastkreis vergleichbar zu 1 (dort Block 1) zur Versorgung von Leuchtmitteln vorgesehen sein.
  • Auch wenn im diesem Ausführungsbeispiel die Ansteuerung eines Highside-Transistors einer Voll- oder Halbbrückenschaltung erläutert werden wird, ist zu verstehen, dass sich diese Ansteuerung auch auf alle zuvor erläuternden Anwendungsszenarien übertragen lässt.
  • Ausgehend von einer Steuereinheit 15 werden bipolare Spannungsimpulse UP1 auf die primärseitige Wicklung TP eines Transistors eingekoppelt.
  • Auf der Sekundärseite des Transistors 14 sind indessen nunmehr zwei Wicklungen TS bzw. TS' vorgesehen, die zueinander in Serie geschaltet sind und invertierte Wicklungsrichtungen aufweisen. Dabei weist die erst Wicklung TS den Wicklungssinn der primärseitigen Spule TP auf, während die zweite Wicklung TS' die dazu gegensinnige Wicklungsrichtung aufweist.
  • Somit stellt sich auf der ersten Wicklung TS eine erste Spannung UT,2 und an der zweiten Spule TS' eine dazu vertierte Spannung UT,3 ein.
  • Wie bereits unter Bezugsnahme auf 1 bis 11 erläutert wird über die erste Wicklung TS der Transistor 8 eingeschaltet (leitend geschaltet).
  • Gleichzeitig wird aber nunmehr durch die Spannung UT,3 an der zweiten Spule TS' der Steuereingang eines Entladetransistors 100 angesteuert, wobei also der Entladetransistor 100 durch die zweite Spule TS' aktiv ausgeschaltet wird, wenn die Spannung der ersten Spule TS den Transistor 8 einschaltet. Somit kann es in verhältnismäßig einfacher Weise sichergestellt werden, dass der Steuereingang (bspw. das Gate im Falle eines MOSFETs) des Transistors 8 nicht unabsichtlich entladen wird, und sich somit der Transistor 8 unabsichtlich ausschaltet.
  • Wenn nunmehr ausgehend von der Steuereinheit 15 ein im Vergleich zum Einschaltvorgang des Transistors 8 umgekehrter Impuls auf die primärseitige Wicklung TP des Transformators 14 gegeben wird, wird durch die in die zweite Wicklung TS' mit umgekehrtem Wicklungssinn induzierte Spannung UT,3 der Entlade-Transistor 100 aktiv eingeschaltet, so dass sich das Gate des Transistors 8 schnell entleert und der Transistor 8 somit schnell aktiv ausgeschaltet werden kann.
  • In 13 sind die von der Steuereinheit 15 primärseitig erzeugten Spannungsimpulse mit UP,1 bezeichnet. Mit der Bezeichnung UPWM,HS ist das Steuersignal am Steuereingang des Highside-Transistors 8 bezeichnet.
  • Im Vergleich zu den Ausführungsbeispielen von 1 bis 11 hat die Ausführungsform von 12 den Vorteil, dass insbesondere eine Diode mit schneller Ausräumzeit eingespart werden kann.
  • Weiterhin ist es möglich, die beiden sekundärseitigen Wicklungen TS, TS' des Transformators 14 mit der Drossel 4 des Lastkreises 1 (siehe 1) zu integrieren, d. h. auf dem gleichen Kern zu wickeln.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 1114571 B1 [0061]

Claims (16)

  1. Verfahren zur Ansteuerung eines Transistors (8) eines Betriebsgeräts für Leuchtmittel, wobei – der Steuereingang des Transistors (8) mittels eines Transformators (14) galvanisch entkoppelt ist, wobei der Steuereingang (8) mit der Sekundärseite des Transformators (14) verbunden ist und die Sekundärseite des Transformators (14) eine erste und eine zweite gegensinnig gepolte und in Serie geschaltete Wicklungen aufweist, und – das Ein- bzw. Ausschalten des Transistors (8) durch transformatorische Übertragung von Strom- oder Spannungsimpulsen von einer Steuereinheit als Taktsignalquelle erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Einschalten des Transistors primärseitig ein Spannungsimpuls einer ersten Polarität erzeugt wird, über den der Transistor über die erste sekundärseitige Wicklung eingeschaltet wird, und ein Entladetransistor, der im eingeschalteten Zustand den Steuereingang des Transistors entlädt, durch die zweite sekundärseitige Wicklung aktiv ausgeschaltet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zum Ausschalten des Transistors primärseitig ein Spannungsimpuls einer zweite, zu der ersten Polarität invertierten Polarität erzeugt wird, über den über die zweite sekundärseitige Wicklung ein Entladetransistor eingeschaltet wird, der somit den Steuereingang des Transistors entlädt, so dass dieser ausgeschaltet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die sekundärseitigen Wicklungen mit einer Drossel (4) eines Lastkreises (1) auf einen gemeinsamen Kern gewickelt ist, welcher Lastkreis (1) mit dem Verbindungspunkt zweier in Serie geschalteter Transistoren verbunden ist, dessen potentialhöherer Transistor transformatorisch über Spannungsimpulse angesteuert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spannungsimpulse kürzer als die Ein- oder Ausschaltzeit des angesteuerten Transistors sind.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit als Taktsignalquelle in einem vorbestimmten Takt Spannungsimpulse ausgibt, unabhängig davon, ob der Zustand des Schaltelements geändert werden soll.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Steuereinheit für den Fall, dass der Zustand des Schaltelements geändert werden soll, einen Spannungsimpuls erzeugt, der gegenüber dem vorangegangenen Impuls eine umgekehrte Polarität aufweist.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Steuereinheit für den Fall, dass der Zustand des Schaltelements beibehalten werden soll, auf einen Spannungsimpuls erster Polarität erneut einen Spannungsimpuls derselben Polarität sendet.
  9. Steuereinheit, insbesondere integrierte Schaltung, die zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
  10. Halbbrücken- oder Vollbrücken-Wechselrichter mit wenigstens zwei Schaltern, wobei ein Schalter mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 angesteuert wird.
  11. Vorschaltgerät für Gasentladungslampen, aufweisend einen Wechselrichter nach Anspruch 10.
  12. Vorschaltgerät für HID-Lampen, aufweisend einen Wechselrichter nach Anspruch 10.
  13. Schaltregler mit wenigstens einem Schalter als Schaltelement, wobei der Schalter mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 angesteuert wird.
  14. Sperrwandler mit wenigstens einem Schalter als Schaltelement, wobei der Schalter mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 angesteuert wird.
  15. Vorschaltgerät für LEDs, aufweisend einen Sperrwandler nach Anspruch 14.
  16. Beleuchtungssystem für Leuchtmittel, aufweisend wenigstens ein Vorschaltgerät nach Anspruch 11, 12 oder 15, sowie ein angeschlossenes Leuchtmittel.
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