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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung von Gasentladungslampen, insbesondere eines Verbundes von Gasentladungslampen einer Hintergrundbeleuchtung eines LCD Displays. Derartige LCD Displays werden beispielsweise bei Fernsehern oder als Computerbildschirme eingesetzt.
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Stand der Technik
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Bei LCD Displays ist es bekannt, die Hintergrundbeleuchtung mittels Gasentladungslampen zu realisieren, die mit einer Spannung von 500 bis 1500 V betrieben werden. Zukünftig werden bei LCD-Fernsehern Systemstromversorgung und Lichtwandler auf sogenannten LIPS-Boards zusammen integriert werden (LIPS = Lighting Power Supply). Ein LIPS-Board besteht im wesentlichen aus einer Eingangsstufe zur Leistungsfaktorkorrektur (PFC Eingangstufe), einem Sperrwandler, der die Audio- und Video Schaltkreise des Fernsehers versorgt, und einem Gleichspannungs-/Wechselspannungswandler, der die Gasentladungslampen versorgt und eine sichere elektrische Trennung über einen Isolationsübertrager gewährleistet. Die Leistungsschalter des Gleichspannungs-/Wechselspannungswandlers werden hartschaltend betrieben und erzeugen nicht unerhebliche Schaltverluste. Im Zuge der Entwicklung von energiesparenden Geräten wird es angestrebt, diese Verluste zu reduzieren.
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Der Grund für das verlustbehaftete Schalten der Leistungsschalter liegt im heutigen Regelprinzip begründet. Die bekannten Wandler arbeiten bei konstanter Arbeitsfrequenz und Eingangsspannung. Eine Regelung der Lampenleistung bzw. der Lampenströme ist somit nur über Variation der Einschaltdauer der Leistungsschalter möglich. Wegen der erforderlichen großen Variationen des Einschaltzeitpunktes können die Leistungsschalter dabei nur hartschaltend betrieben werden.
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Die
WO 2007/000684 A1 offenbart eine Schaltung zur Ansteuerung von Gasentladungslampen, bei der der Lampenstrom durch Änderung der Eingangsspannung des Gleichspannungs-/Wechselspannungswandlers geregelt wird.
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DE 600 06 046 T2 offenbart ein Verfahren zur Ansteuerung von Gasentladungslampen unter Verwendung eines Gleichspannungs-/Wechselspannungswandlers, der mit einer vorgegebenen Frequenz betrieben wird und aus einer Eingangs-Gleichspannung, die eine Restwelligkeit aufweist, eine Ausgangs-Wechselspannung U zum Betrieb der Gasentladungslampen erzeugt. Dem Gleichspannungs-/Wechselspannungswandler ist eine Leistungsfaktorkorrektur-Stufe vorgeschaltet, wobei der Gleichspannungs-/Wechselspannungswandler im Nullspannungs-Schaltbetrieb betrieben wird. Schwankungen des Lampenstroms hervorgerufen durch die Restwelligkeit der Eingangs-Gleichspannung werden durch eine Variation der Einschaltzeiten und/oder Ausschaltzeiten der Schaltelemente des Gleichspannungs-/Wechselspannungswandlers ausgeregelt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ansteuerung von Gasentladungslampen anzugeben, das den Lampenstrom derart regelt, dass eine homogene Beleuchtung aufrecht erhalten werden kann. Ferner sollen Temperaturvariationen und äußere Störsignale, die den Lampenstrom beeinflussen, ausgeglichen werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das Verfahren ermöglicht eine besonders verlustarme Ansteuerung der Gasentladungslampen und enthält Mittel zur aktiven und passiven Dämpfung von Störsignalen.
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Erfindungsgemäß werden die Leistungsschalter des Gleichspannungs-/Wechselspannungswandlers zur Steigerung der Energieeffizienz im sogenannten ZVS Verfahren (Zero Voltage Switching) betrieben. Dabei werden die Schalter spannnungslos eingeschaltet, das heißt zu einem Zeitpunkt geschaltet, bei dem die Spannung über ihnen null ist. Dies hat aber zur Folge, dass die Einschaltzeit der Leistungsschalter nicht mehr zur Regelung des Lampenstroms herangezogen werden kann. Sie kann in einem Bereich von mehreren Prozent variiert werden, muss aber so gewählt werden, dass sich ZVS-Betrieb einstellt.
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Somit scheidet die übliche Stromregelung über Variation des Tastverhältnisses (PWM) aus. Die Regelung des Lampenstroms muss dann entweder über die Betriebsfrequenz oder über die am Wandler anliegende Eingangsspannung erfolgen. Die erstere Variante scheidet wegen der Auswahl einer festen Betriebsfrequenz aus. Eine feste Betriebsfrequenz wird zur Vermeidung möglicher Interferenzen zwischen der Arbeitsfrequenz des Lichtwandlers und der Zeilenfrequenz des Fernsehers gewählt. Als Regelgröße für den Lampenstrom wird daher die Ausgangsspannung der vorgeschalteten Leistungsfaktorkorrektur-Stufe (PFC-Stufe) verwendet. Diese PFC Ausgangsspannung wird in Abhängigkeit vom Lampenstrom solange erhöht bzw. verringert, bis sich der gewünschte Wert für den Lampenstrom einstellt. Da sich der Lampenstrom in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur ändert, muss die PFC Ausgangsspannung auch temperaturabhängig nachgeführt werden.
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PFC Stufen erzeugen keine ideale Gleichspannung, sondern es verbleibt eine Restwelligkeit, das heißt der Ausgangsspannung des PFC Stufe ist eine Wechselspannung (100 Hz bis 120 Hz) von ca. 5% bis 10% der Ausgangsgleichspannung überlagert. Diese Spannungsschwankungen sind dann auf dem Lampenstrom bzw. als Flimmern der Lampenhelligkeit wiederzufinden. Um die Restwelligkeit auf weniger als 1% zu reduzieren, wird erfindungsgemäß dem Stromregelkreis ein weiterer Regelkreis überlagert, der eine teilweise Ausregelung der Restwelligkeit der PFC Ausgangsspannung über eine Variation der Einschaltzeit der Leistungsschalter erlaubt. Die Einschaltzeit der Leistungsschalter darf jedoch nur so weit verändert werden, dass der ZVS-Betrieb erhalten bleibt. Üblicherweise lässt sich der Wert der Restwelligkeit damit auf ca. 2%–3% reduzieren. Zur Erreichung der gewünschten Reduzierung auf < 1% wird erfindungsgemäß die Streuinduktivität des Lampentransformators soweit erhöht, bis sich die benötigte Dämpfung einstellt.
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Einen weiteren Einfluss auf die Stabilität der Versorgungsspannung der Lampen können Audiosignale mit sehr niedriger Frequenz (Bässe) haben. Bei sehr hohen Lautstärkepegeln erzeugen diese mit einer Frequenz von wenigen 10 Hz PFC Ausgangsspannungsänderungen, die von der PFC-Stufe nicht ausgeregelt werden und sich auf den Lampenstrom auswirken können. Um dies zu verhindern, wird erfindungsgemäß ein weiterer Regelkreis implementiert und dem PFC Reglerkreis überlagert. Normalerweise wird der Regelkreis einer PFC-Stufe für sehr langsame Veränderungen der PFC-Ausgangsspannung ausgelegt. Bei dem hier vorgestellten Regelungsverfahren wird der PFC-Strom oder die PFC-Ausgangsspannung über einen Strom- bzw. einen Spannungsistwert-Eingang der PFC-Stufe der Regelschaltung auf unerwartete Abweichungen überwacht. Werden diese festgestellt, wird erfindungsgemäß die Dynamik des PFC-Regelkreises verändert und der Laständerung schnell entgegengewirkt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1: zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Ansteuerung von Gasentladungslampen und anderen Verbrauchern.
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2: zeigt ein erweitertes Blockschaltbild des Gesamtsystems.
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3: zeigt schematisch die Schaltung des Lampeninverters, der über einen Transformator die Lampen versorgt.
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4: zeigt schematisch den Spannungsverlauf im Schwingkreis des Lampeninverters während der Schaltpausen der Leistungsschalter.
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5: zeigt schematisch die Steuersignale zur Ansteuerung der Leistungsschalter des Lampeninverters.
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6: zeigt schematisch die Spannungsdiagramme der Ansteuerungssignale für die Leistungsschalter sowie die Spannung an der Primärspule des Transformators.
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7: zeigt schematisch eine bekannte Schaltung zur Messung des Lampenstroms.
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Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
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1 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung zur Ansteuerung von Gasentladungslampen. Die Schaltung verfügt über eine Eingangsstufe 1, die eine Eingangsspannung von 85 bis 265 Volt Gleichstrom erzeugt. Diese Eingangsspannung wird mittels Gleichrichtung aus der herkömmlichen Netzspannung generiert. Die Eingangsspannung wird einer Leistungsfaktorkorrektur-Stufe 2 zugeführt, in welcher eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC: Power Factor Correction) durchgeführt wird. Die Leistungsfaktorkorrektur erfolgt vorzugsweise an der Grenze zwischen lückendem und nicht lückendem Betrieb (CCM: critical conduction mode). Die Ausgangsspannung der Leistungsfaktorkorrektur-Stufe 2 beträgt etwa 400 Volt, die dann einem Lampenkonverter 3 zugeführt wird. Der Lampenkonverter 3 ist als Gleichspannungs-/Wechselspannungswandler (DC/AC Inverter) in Halbbrückenschaltung ausgebildet. Die Halbbrückenschaltung des Lampenkonverters 3 steuert einen Lampentransformator 4 an, der die Primärspannung, die vom Lampeninverter 3 geliefert wird, in eine Sekundärspannung von 700 bis 1500 Volt transformiert, mit welcher dann die Gasentladungslampen 6 betrieben werden. Die Ausgangsspannung der Leistungsfaktorkorrektur-Stufe 2 wird gleichzeitig auch einem Sperrwandler 5 zugeführt, der eine oder mehrere Ausgangsspannungen generiert, die zur Stromversorgung weiterer Einheiten benötigt werden.
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2 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild des Gesamtsystems. Man erkennt links die Eingangsschaltung 1 zur Erzeugung einer Eingangsgleichspannung für den Konverter von 120 bis 375 Volt aus der Netzspannung von 85 bis 265 Volt. Diese Eingangsspannung wird der Leistungsfaktorkorrektur-Stufe 2 zugeführt, in welcher eine Leistungsfaktorkorrektur durchgeführt und eine Ausgangsgleichspannung von etwa 400 bis 500 Volt zur Versorgung des Lampenkonverters 3 sowie des Sperrwandlers 5 erzeugt wird. Der Sperrwandler 5 erzeugt mehrere Ausgangsspannungen, die zur Stromversorgung der Schaltungskomponenten bzw. weiteren Komponenten, wie etwa dem Audiosystem dienen. Der Lampenkonverter 3 ist über den Transformator 4 mit den zu versorgenden Gasentladungslampen 6 verbunden. Die Leistungsfaktorkorrektur-Stufe 2 sowie der Lampenkonverter 3 werden überwacht und gesteuert durch eine integrierte Steuerschaltung 7, welche entsprechende Sensorsignale erfasst und daraus Steuersignale ermittelt, die den Elektronikkomponenten zugeführt werden. Ein Systemprozessor 8 kontrolliert und steuert die gesamte Schaltungsanordnung und ermöglicht beispielsweise einen Dimmbetrieb des Lampenschaltkreises, einstellbar durch einen Benutzer. Hierzu erzeugt der Systemprozessor 8 verschiedene Ausgangssignale, die galvanisch entkoppelt über Optokoppler der Steuerschaltung 7 zugeführt werden, die entsprechende Steuersignale zur Ansteuerung der entsprechenden Komponenten erzeugt.
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In 3 ist schematisch dargestellt, dass der Lampenkonverter eine Halbbrückenschaltung umfasst, die aus zwei Leistungsschaltern QH und QL besteht, welche über einen Koppelkondensator CS mit der Primärwicklung des Transformators 4 verbunden sind. Über eine Sekundärwicklung des Transformators 4 werden die Gasentladungslampen 6 versorgt. Die beiden Leistungsschalter QH und QL werden wechselweise geschaltet, so dass der linke Anschluss des Kondensators CS abwechselnd mit der Versorgungsspannung V+ und Masse verbunden wird. Typische Schaltfrequenzen liegen bei ca. 40 KHz. Der Kondensator CS sowie die parasitären Kondensatoren Cfet der Leistungsschalter QH und QL bilden zusammen mit der Primärwicklung des Transformators 4 einen Reihenschwingkreis, der auf die Schaltfrequenz der Leistungsschalter abgestimmt ist. In diesem Reihenschwingkreis beginnt sich ein annähernd sinusförmiger Wechselstrom aufzubauen, der durch den Transformator 4 transformiert wird und die Lampen 6 versorgt. Wenn der Kondensator CS mit der Versorgungsspannung V+ verbunden wird, wird in der Primärspule des Transformators 4 ein Magnetfeld aufgebaut. Wenn der Kondensator CS mit Masse verbunden wird, induziert die in der Spule gespeicherte magnetische Energie eine abklingende sinusförmige Schwingung gemäß 4. Die Leistungsschalter QH, QL beinhalten parasitäre Dioden D1 und D2. Im ausgeschalteten Zustand der Leistungsschalter fließt Strom über diese parasitären Dioden D1 bzw. D2. Dies führt zu Schaltverlusten im Entladestromkreis, da die parasitären Dioden D1, D2 relativ langsam schalten und verlustbehaftet sind. Es ist zwar möglich, externe, schnellschaltende Dioden parallel zu diesen parasitären Dioden zu betreiben. Dies ist jedoch teuer und nach wie vor verlustbehaftet.
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Um diese Schaltverluste weitgehend zu eliminieren, wird die Halbbrücke nach dem Verfahren des spannungslosen Schaltens betrieben. Dieses Verfahren ist auch als Zero-Voltage-Switching (ZVS) bekannt. Der weitaus höhere Teil der Schaltverluste entsteht im Falle von hohen Betriebsspannungen jeweils beim Einschalten der Leistungsschalter. Erfindungsgemäß werden die Leistungsschalter daher eingeschaltet, wenn die Spannung des Reihenschwingkreises des Konverters jeweils einen Nulldurchgang hat. Dies ist in 4 im Zeitpunkt tZVS der Fall. Durch dieses spannungslose Schalten der Leistungsschalter QH und QL können die Schaltverluste erheblich reduziert werden.
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Aufgrund dieses spannungslosen Schaltens kann jedoch der Einschaltzeitpunkt der Leistungsschalter QH und QL nicht beliebig gewählt werden, sondern ist im Wesentlichen festgelegt. Lediglich geringfügige Variationen von maximal ca. 5% sind möglich.
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5 zeigt die Steuersignale der Leistungsschalter jeweils für den Leistungsschalter QH Steuersignal H und für den Leistungsschalter QL Steuersignal L. Die Leistungsschalter werden wechselweise eingeschaltet, wobei zwischen den Schaltzeiten eine sogenannte Totzeit tD eingehalten wird. Die Totzeit tD berücksichtigt die Einschalt- bzw. Ausschaltverzögerungen der Leistungsschalter und stellt sicher, dass beide Leistungsschalter nie gleichzeitig leitend sind. Das jeweilige Einschalten der Leistungsschalter QH bzw. QL erfolgt zum Zeitpunkt tZVS, an dem die Spannung im Schwingkreis einen Nulldurchgang hat. Auch das Signal L für den Schalter QL wird zum Zeitpunkt tZVS nach dem Ausschalten des Schalters QH eingeschaltet. Zwischen den jeweiligen Einschaltdauern ist die Totzeit tD vorgesehen. Diese Totzeit tD stimmt somit mit Zeitdauer tZVS überein. Die jeweilige Einschaltdauer der beiden Leistungsschalter muss gleichlang sein, da ansonsten der Transformator asymmetrisch betrieben wird.
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Ein Problem ist, dass die Eingangsspannung für den Lampeninverter 3, also die Ausgangsspannung der Leistungsfaktorkorrektur-Stufe 2 keine reine Gleichspannung ist, sondern eine Restwelligkeit aufweist, die der doppelten Netzfrequenz (d. h. 100 Hz bzw. 120 Hz) entspricht. Diese Restwelligkeit von 100 bzw. 120 Hz beträgt bis zu 5% und wird durch den Lampeninverter 3 hindurch auf die Lampen 6 übertragen, deren Lampenstrom sich dadurch ändert und damit auch die Helligkeit der Lampen in der entsprechenden Frequenz. Um diese Stromänderungen in der Lampe bzw. Helligkeitsschwankungen zu kompensieren ist daher erfindungsgemäß vorgesehen, die Einschaltdauer des jeweiligen Leistungsschalters zu verkürzen immer dann, wenn die Restwelligkeit bzw. Brummspannung positiv ist, d. h. sich über dem Sollwert der Ausgangsspannung der PFC-Stufe 2 befindet. Dies wird erreicht durch geringfügige Variation des Einschaltzeitpunktes oder alternativ des Ausschaltzeitpunktes im Rahmen bis zu 5% in Abhängigkeit von der Eingangsspannung des Lampeninverters 3. Beispielweise wird die Totzeit tD um eine zusätzliche Zeitdauer text verlängert und dadurch die jeweilige Einschaltdauer der Leistungsschalter verringert. Dadurch wird eine Amplitudenmodulation der Primärspannung des Transformators 4 erreicht, die gegenphasig zur Phase der Brummspannung, d. h. der Restwelligkeit der Eingangsspannung des Lampeninverters, ist. Somit wird die Restwelligkeit bzw. Brummspannung im Wesentlichen kompensiert.
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Eine weitere Reduktion der Restwelligkeit kann erzielt werden durch Erhöhung der Streuinduktivität des Transformators 4 bzw. eine Induktivität, die in Serie zur Primärwicklung des Transformators geschaltet ist. Der Strom im Schwingkreis des Lampeninverters 3 bzw. der Lampenstrom wird zur Realisierung dieses Regelungsverfahrens von der Steuerschaltung 7 gemessen, und entsprechend werden dann die Leistungsschalter QH und QL angesteuert.
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Insbesondere in LCD Fernsehern können durch die eingebauten leistungsstarken Audiosysteme auch niederfrequente Audiosignale der Eingangsspannung des Lampeninverters 3 überlagert werden. Diese Brummspannungen führen zu einer Restwelligkeit der Lampenspannung und damit einer niederfrequenten Stromänderung im Lampenstrom, was sich in sichtbaren Helligkeitsschwankungen niederschlägt.
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Um dies zu verhindern, wird erfindungsgemäß ein weiterer Regelkreis in die Steuerschaltung 7 implementiert und dem PFC Reglerkreis überlagert. Der PFC-Strom oder die PFC-Ausgangsspannung wird über einen Strom- bzw. einen Spannungsistwert-Eingang der PFC-Stufe der Steuerschaltung auf unerwartete Abweichungen überwacht. Werden diese festgestellt, wird erfindungsgemäß die Dynamik des PFC-Regelkreises verändert und der Laständerung schnell entgegengewirkt.
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Die Erfassung des aktuellen Lampenstroms erfolgt durch die Steuerschaltung 7 vorzugsweise im Primärkreis des Transformators 4. Wie es schematisch in 7 dargestellt ist, kann die Strommessung beispielsweise mittels eines Widerstands RLCS am masseseitigen Anschluss des Leistungsschalters QL erfolgen. Der Spannungsabfall VLCS über dem Widerstand RLCS wird durch die Steuerschaltung 7 erfasst und ausgewertet. Durch diese Erfassung der Spannung VLCS bzw. dem Lampenstrom (durch Multiplikation der gemessenen Spannung mit dem Widerstandswert RLCS) können übermäßige Stromflüsse, d. h. Kurzschlüsse auf der Primär- oder Sekundärseite, erkannt werden. Gleichzeitig kann eine Strombegrenzungsschaltung realisiert werden. Außerdem wird damit der Lampenstrom gesteuert.
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Wichtig ist, dass in den Zeiten TP, in denen der Leistungsschalter QL. ausgeschaltet ist, keine Messung der Spannung VLCS bzw. des Stromes erfolgt. Es wird daher erfindungsgemäß ein Sample-and-Hold Verstärker zur internen Speicherung des augenblicklichen Messwertes verwendet. Dieser Sample-and-Hold Verstärker ist in die Steuerschaltung 7 integriert.
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In 6 sind die Steuersignale der Schalter QH und QL dargestellt sowie der Spannungsverlauf VLCS während mehrerer Messzyklen.
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Erfindungsgemäß wird der Strom durch die Lampen 6 geregelt werden (konstanter Lampenstrom), um eine homogene Beleuchtung aufrechtzuerhalten. Dabei müssen Temperaturvariationen und äußere Störsignale ausgeglichen werden. Diese Regelung wird von der Steuerschaltung 7 übernommen, welche die Halbbrücke des Lampeninverters 3, bestehend aus den Leistungsschaltern QH und QL, ansteuert. Die Arbeitsfrequenz f des Lampeninverters ist vorgegeben und soll nicht variiert werden. Somit wird die Eingangsspannung des Lampenkonverters 3 als Regelgröße für die Lampensteuerung verwendet. Um die Halbbrücke möglichst verlustarm zu betreiben, wird das sogenannte „Zero Voltage-Switching” (ZVS) angewandt, d. h. die Leistungsschalter werden genau zu dem Zeitpunkt angesteuert, an dem die Spannung, die im frei schwingenden Betrieb des Schwingkreises über dem Leistungsschalter anliegt, einen Nulldurchgang hat. Durch geringfügige Variation des Schaltzeitpunktes um den optimalen Einschaltzeitpunkt tZVS herum, kann die Restwelligkeit der Eingangsspannung des Lampenkonverters 3 kompensiert werden.
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Ferner kann eine passive Dämpfung der Restwelligkeit erfolgen durch eine vergrößerte Streuinduktivität (4 bis ca. 15%) an der Primärseite des Transformators 4 oder eine zusätzliche Spule oder ein geeignetes Transformator-Design.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Eingangsstufe
- 2
- Leistungsfaktorkorrektur-Stufe
- 3
- Lampenkonverter
- 4
- Transformator
- 5
- Sperrwandler
- 6
- Lampe(n)
- 7
- Steuerschaltung
- 8
- Prozessor
- U
- Spannung im Schwingkreis
- IL
- Lampenstrom
- QH
- Leistungsschalter Leistungsschalter
- CS
- Entkoppel-Kondensator
- D1, D2
- parasitäre Diode
- Cfet
- parasitäre Kapazität
- RLCS
- Messwiderstand
- VLCS
- Spannung über dem Messwiderstand
- H, L
- Steuersignal für den Leistungsschalter
- tZVS
- Schaltzeit für Nullpunktschalten
- tD
- Totzeit
- text
- Schaltzeitvariation
