DE102010039154A1

DE102010039154A1 - Modulation eines PFC bei DC-Betrieb

Info

Publication number: DE102010039154A1
Application number: DE201010039154
Authority: DE
Inventors: Peter Lampert; Dr. Mitterbacher Andre
Original assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Current assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2012-02-16
Also published as: WO2012020047A1; EP2604097A1; EP2604097B1

Abstract

Ein Betriebsgerät für Leuchtmittel, insbesondere eines Elektronischen Vorschaltgeräts (EVG) für Gasentladungslampen, weist eine Leistungsfaktor-Korrekturschaltung (PFC) zur Verringerung von Oberschwingungen bei der Eingangsstromaufnahme auf. Dabei wird eingangsseitig nur während vorbestimmter Zeitdauern (tON) Strom aufgenommen. Die vorbestimmte Zeitdauer (tON) der Stromaufnahme wird dabei bei eingangsseitigem Anliegen einer DC-Spannung moduliert, wobei der Modulationshub lastabhängig ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Betrieb eines Betriebsgeräts für Leuchtmittel, wie beispielsweise eines elektronischen Vorschaltgeräts (EVG) für Gasentladungslampen oder LEDs. Das Betriebsgerät weist dabei eine aktiv getaktete Leistungsfaktor-Korrekturschaltung (PFC, Power Factor Correction) zur Verringerung von Oberschwingungen bei der Eingangsstromaufnahme auf, die bspw. in Form eines Schaltreglers (Hochsetzstellers) mit einem getakteten Schalter ausgebildet ist, wobei der Schalter von einer Steuerschaltung angesteuert wird.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Computersoftware-Programmprodukt zur Unterstützung eines derartigen Verfahrens, auf einen Steuerbaustein, der durch Programmierung und/oder Hartverdrahtung ein derartiges Verfahren unterstützen kann, sowie auf ein Betriebsgerät für Leuchtmittel.
Wie gesagt, die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Betriebsgeräte für Lasten in Form von Leuchtmittel, die PFC-Schaltungen aufweisen. Ein derartiges, aus der DE 10128588 A1 bekanntes Betriebsgerät ist in 1 dargestellt. Genauer gesagt handelt es sich bei dem in 1 dargestellten Gerät um ein elektronisches Vorschaltgerät (EVG). Dieses in 1 dargestellte Vorschaltgerät ist eingangsseitig über ein Hochfrequenzfilter 1 an eine Netzversorgungsspannung U₀ angeschlossen. Der Ausgang des Hochfrequenzfilters 1 ist mit einer Gleichrichterschaltung 2 in Form eines Vollbrückengleichrichters verbunden. Die von der Gleichrichterschaltung 2 gleichgerichtete Versorgungswechselspannung stellt zugleich die Eingangsspannung U_i für die Glättungsschaltung 3 dar. Diese wird im vorliegenden Beispiel durch einen Glättungskondensator C1 sowie eine Induktivität L1, einen steuerbaren Schalter in Form eines MOS-Feldeffekttransistors S1 und eine Diode D1 aufweisenden Hochsetzsteller gebildet. Anstelle des Hochsetzstellers können auch andere Schaltregler verwendet werden. Die PFC-Schaltung wird durch die Wahl der Ansteuerung des Schalters S1 gebildet.
Durch ein entsprechendes Schalten des MOS-Feldeffekttransistors S1 wird in an sich bekannter Weise (s. beispielsweise auch WO 99/34647 A1 ) eine über dem nachfolgend angeordneten Speicherkondensator C2 anliegende Zwischenkreisspannung U_Z erzeugt, die dem Wechselrichter 4 zugeführt wird. Der Wechselrichter 4 wird im vorliegenden Beispiel durch zwei weitere in einer Halbbrückenanordnung angeordnete MOS-Feldeffekttransistoren S2 und S3 gebildet. Durch hochfrequentes Takten dieser beiden Schalter S2 und S3 wird an deren Mittenabgriff eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt, die dem Lastkreis 5 mit der daran angeschlossenen Gasentladungslampe LA zugeführt wird.
Die Funktionsweise dieses Hochsetzstellers ist im Prinzip bereits bekannt und soll daher im folgenden lediglich kurz zusammengefasst werden. Ist der Feldeffekttransistor S1 leitend, steigt der Strom in der Induktivität L1 linear an. Sperrt hingegen der Feldeffekttransistor S1, entlädt sich der Strom in den Speicherkondensator C2. Durch ein gezieltes Ansteuern des Schalters S1 kann die Energieaufnahme des Hochsetzstellers und damit auch die an dem Speicherkondensator C2 anliegende Zwischenkreisspannung (Busspannung) U_Z beeinflusst werden.
Das Ansteuern des Schalters S1 des Hochsetzstellers erfolgt durch eine Steuerschaltung 6, welche entsprechende Schaltinformationen erzeugt und an eine sich an die Steuerschaltung 6 anschließende Treiberschaltung 7 übermittelt. Diese wiederum setzt die Schaltinformationen in entsprechende Leistungs-Steuersignale um und steuert über die Leitung 14 das Gate des Feldeffekttransistors S1. In gleicher Weise werden von der Steuerschaltung 6 und der Treiberschaltung 7 auch Signale zum Ansteuern der beiden Feldeffekttransistoren S2 und S3 des Wechselrichters 4 erzeugt. Sämtliche Komponenten der Steuereinheit 6 können beispielsweise über einen zentralen Taktgeber 8 synchronisiert werden, der ihnen entsprechende Taktsignale übermittelt. Die Steuereinheit 6 ist als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) ausgebildet und nimmt dementsprechend nur wenig Platz ein.
Das Berechnen der Schaltinformationen für den Schalter S1 des Hochsetzstellers erfolgt durch einen innerhalb der Steuerschaltung 6 angeordneten digitalen Regelkreis 9. Hierzu weist die Steuerschaltung 2 Analog/Digital-Wandler ADC₁ und ADC₂ auf, welche die über die Eingangsleitung 15 zugeführte Eingangsspannung U_i und die über die Eingangsleitung 16 zugeführte Zwischenkreisspannung U_Z in Digitalwerte umsetzen.
Der Rechenblock 12 dient dazu, auf Basis des aktuellen Werts der Zwischenkreisspannung U_Z eine geeignete Einschaltdauer für den Schalter S1 zu berechnen. Bevor allerdings anhand der von dem Rechenblock 12 bestimmten Einschaltdauer ein Steuersignal für den Schalter S1 erzeugt wird, wird die Einschaltdauer allerdings noch durch einen Zusatzwert ergänzt (verlängert), der von dem Schaltzeit-Verlängerungsblock 13 bestimmt wird. Hierzu weist der Schaltzeit-Verlängerungblock 13 einen Speicher mit einer Tabelle auf, die jeden Wert der Eingangsspannung U_i ein bestimmtes Zeitintervall zuordnet, um das die Einschaltzeit des Schalters S1 verlängert wird. Der Wert dieses Zusatzintervalles wird der von dem Rechenblock 12 berechneten Einschaltdauer wie gesagt hinzugefügt und einem Ausgangsblock 11 übermittelt. Dieser erzeugt eine entsprechende Schaltinformation, die der Treiberschaltung 7 zugeführt wird, welche dann schließlich durch ein entsprechendes Steuersignal über die Leitung 14 an den Schalter S1 übermittelt.
In allgemeinster Weise besteht der Zusammenhang zwischen der Einschaltverlängerung und der Eingangsspannung darin, dass die Einschaltverlängerung umso größer ist, je niedriger die Eingangsspannung U_i ist. Insbesondere wird also die Einschaltverlängerung im Bereich der Nulldurchgänge der sinusförmigen Wechselspannung erfolgen, die am Eingang anliegt.
Ergänzend ist zu bemerken, dass die Steuerschaltung 6 auch zum Betreiben der beiden Schalter S2 und S3 des Wechselrichters 4 verwendet wird. Hierzu können ein oder mehrere – nicht dargestellte – Analog/Digital-Wandler vorgesehen sein, welche dem Lastkreis 5 entnommene Betriebsparameter in Digitalwerte umsetzen und dem digitalen Regelkreis 9 zuführen. Dargestellt ist ein Regelblock 10, der in Abhängigkeit von den Eingangssignalen Steuerinformationen für die Schalter S2 und S3 berechnet und der Treiberschaltung 7 übermittelt. Die Treiberschaltung 7 erzeugt wiederum entsprechende Steuersignale und überträgt diese über die Leitungen 17 und 18 an die Gates der beiden Feldeffekttransistoren S2 und S3 des Wechselrichters 4.
Die geschilderte aus dem Stand der Technik bekannte Schaltung ist für den AC-Betrieb gut geeignet, schließlich erfolgt ja die Einschaltzeitdauerverlängerung abhängig von einer Erfassung der Nulldurchgänge der anliegenden sinusförmigen Wechselspannung U₀.
Allgemein ist dagegen bei Anliegen einer DC-Spannung an eine derartige Schaltung die Einschaltzeitdauer-Verlängerung außer Kraft. Das Anliegen einer DC-Spannung erfolgt beispielsweise im Notbetrieb. Die bekannte Schaltung arbeitet also im Notbetrieb ohne Einschaltdauerverlängerung und somit mit konstanter Frequenz. Diese feste Betriebsfrequenz der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung (PFC) 3 erzeugt somit Störungen mit im wesentlichen fester Frequenz. Dies kann Probleme mit den auch für Notlichtbetrieb (DC-Betrieb) geltenden EMV-Vorschriften geben.
WO 2006/042640 A2 schafft für dieses Problem Abhilfe, indem sie lehrt, dass auch bei einer DC-Versorgung der PFC, der dann eigentlich mit konstanter Schaltfrequenz schalten würde, gezielt eine Frequenzveränderung (ein sogenannter „Sweep Mode”, auch als „wobbeln” bekannt, d. h. eine zyklisch wiederkehrende Beschleunigung und Verlangsamung einer Frequenz) durchgeführt wird.
In der praktischen Ausgestaltung sieht dies insbesondere derart aus, dass ausgehend von einem nominalen T_on-Wert für den Schalter des Konverters stufenweise die T_on-Zeit inkrementiert wird, und dann wieder verringert wird, bis sie symmetrisch unterhalb des nominalen T_on-Werts abgesunken ist. Dies wiederholt sich zyklisch.
Dies bedeutet, dass für den AC-Betrieb die aus 1 bekannte Schaltung weiter verwendet werden kann. Indessen wird im DC-Betrieb die Betriebsfrequenz des PFC moduliert, um sozusagen das Störspektrum der Schaltung auf Nebenbänder außerhalb der Mitten-Betriebsfrequenz zu „verwässern”. Dies ermöglicht eine Einhaltung der EMV-Vorschriften. Die Modulation kann dabei in einer Änderung der Modulationstiefe (d. h. Verlängerung/Verkürzung der Einschaltzeit des getakteten Schalters) und/oder der Änderung der Schaltfrequenz liegen.
Bei geringen Dimmwerten und/oder bei geringer Last ist natürlich der Nominalwert für die T_on-Zeit des Schalters des PFCs verringert. Somit besteht natürlich nur ein verringerter Frequenzhub zur Verringerung der T_on-Zeit unter den Nominalwert. Somit besteht bei diesem Verfahren das Risiko, dass bei dem symmetrischen Absenken der T_on-Zeit unzulässige Einschaltzeiten für den Schalter erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gesetzt, ein Verfahren zum Betrieb eines Betriebsgeräts für Leuchtmittel bereit zu stellen, das einen zuverlässigen Betrieb der Leuchtmittel sicherstellt.
Die Erfindung bildet den Gedanken weiter, dass der sweep mode, auch als „wobble” bekannt, abhängig von der Last adaptiv einstellbar ist, wobei die Last sich beispielsweise bei Multilampen-Geräte, an die Lampen unterschiedlicher Wattage angeschlossen werden können, oder auch bei unterschiedlichen Dimmpegeln verändern kann.
Daher wird bei verringerter Last und/oder verringerter Ton-Zeit für geringere Dimmwerte der Frequenzhub verringert, derart, dass also die Abweichung oberhalb/unterhalb des Nominalwerts verringert wird. Somit wird insbesondere verhindert, dass bei dem symmetrischen Absenken der Ton-Zeit unzulässige (zu kurze) Einschaltzeiten für den Schalter erreicht werden wurden.
Genauer gesagt, wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zum Betrieb eines Betriebsgeräts für Lasten in Form von Leuchtmitteln, insbesondere eines elektronischen Vorschaltgeräts (EVG) für Gasentladungslampen vorgesehen. Das Betriebsgerät weist dabei eine Leistungsfaktor-Korrekturschaltung (PFC) zur Verringerung von Oberschwingungen bei der Eingangsstromaufnahme auf. Dabei wird die Arbeitsfrequenz der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung bei eingangsseitigem Anliegen einer DC-Spannung moduliert. Der Modulationshub ist dabei lastabhängig.
Der Modulationshub hängt vorzugsweise von der Wattage der angeschlossenen Leuchtmittel und/oder des aktuellen Dimmpegels ab.
Die Ausgangsspannung des PFC kann geregelt werden. Die Modulation der Frequenz kann durch eine oder mehrere der folgenden Methoden erfolgen:

– Modulation eines Sollwerts der Ausgangsspannung,
– Beaufschlagung einer Modulation auf einen direkt oder indirekt erfassten Istwert der Ausgangsspannung, und/oder
– Modulation der Steuergrösse der Regelung.

Die Einschaltzeitdauer t_ON des Schalters wird vorzugsweise stufenweise moduliert.
Es kann außerdem vorgesehen sein, dass bei Erreichen einer vorgegeben unteren Schwelle der Last die Taktung des Schalters der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung nicht mehr moduliert wird.
Bei der Erfindung ist es weiterhin erwünscht, dass zuerst ein Nominalwert für die Einschaltzeitdauer des Schalters berechnet wird, wobei dementsprechend eine bestimmte Sollbusspannung am Ausgang des PFCs eingestellt wird, und dann die Modulation der Taktung des Schalters der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung erfolgt.
Es kann auch vorgesehen sein, dass bei Erreichen einer vorgegeben oberen Schwelle der Last die Taktung des Schalters der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung normal, d. h. ohne eine Beschränkung moduliert wird. Dies bedeutet, dass ab einer bestimmten Leistung der sweep-mode vom Erfindungsgemäßen Verfahren uneingeschränkt ausgeführt wird und demnach die nominale Amplitude des Frequenzhubs nicht eingeschränkt wird. Somit wird bei stärkerer Leistung die auch stärkere EMV-Belastung wirksam eingeschränkt, identisch wie bei dem aus WO 2006/042640 A2 bekannten Verfahren.
Die Leistungsfaktor-Korrekturschaltung (PFC) kann in Form eines Schaltreglers mit getaktetem Schalter ausgebildet sein. Zur Verringerung von Störungen kann der Schalter dabei derart getaktet werden, dass seine Einschalt-Zeitdauer und/oder seine Schaltfrequenz bei eingangsseitigem Anliegen einer DC-Spannung moduliert wird.
Die Modulationsfrequenz der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung (PFC) kann dabei derart gewählt sein, dass sich in der Ausgangsspannung der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung (PFC) eine dementsprechende Welligkeit einstellt. Mit anderen Worten, die Modulation der PFC-Schaltung wird durch diese selbst bzw. eine Zwischenbusregelung nicht ausgesteuert. Vielmehr erfolgt die Kompensierung dieses „Ripples” in der Busspannung (d. h. die Zwischenkreisspannung, die von der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung ausgegeben wird und am Speicherkondensator anliegt) zur Konstanthaltung der Leistungsaufnahme der Leuchtmittel durch Frequenzvariation des Wechselrichters. Dazu kann die Steuereinheit in an sich bekannter Weise einen Betriebsparameter wie beispielsweise den Lampenstrom und die Lampenspannung erfassen und abhängig von dieser Erfassung und einer Abweichung von einem Sollwert die Frequenz des Wechselrichters variieren.
Die Modulationsfrequenz der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 15 Hz und 500 Hz, vorzugsweise zwischen 90 und 130 Hz gewählt werden. Beim Stand der Technik wird die Modulation bekanntlich mit den Nulldurchgängen der Wechselspannung verknüpft, so dass sich eine Modulationsfrequenz von 100 Hz (Europa) bzw. 120 Hz (USA) ergeben kann. Bei der Erfindung ist dagegen die Modulationsfrequenz frei einstellbar und optimierbar.
Bei Anliegen einer DC-Spannung kann die Modulation natürlich nicht mehr durch den Nulldurchgänge der Eingangsspannung ausgelöst werden. Erfindungsgemäß kann daher vorgesehen sein, dass die Modulation der PFC-Schaltung mittels einer Timerschaltung erfolgt, mittels der Werte aus einer Look-up-Tabelle ausgelesen werden.
Diese Werte sind wie beim Stand der Technik Verlängerungwerte, die auf den eigentlichen Reglerwert T_{ON_Regler} der Steuerschaltung aufgeschlagen werden. Der Reglerwert T_{ON_Regler} ist dabei die Einschaltzeitdauer für den Schalter, die von einem Regler zur Konstanthaltung der Ausgangsspannung des PFC berechnet wurde.
Erfindungsgemäß kann automatisch auf die Modulation mittels der Timerschaltung und der Look-up-Tabelle umgeschaltet werden, sobald das Betriebsgerät das Anliegen einer DC-Spannung erkennt. Grundsätzlich ist das automatische Erkennen des Notlichtbetriebs (Anliegen einer DC-Spannung) bereits aus der EP 490329 B1 bekannt. Es wird auf die dortige 4, Bezugszeichen C25 und R21 verwiesen.
Die Leistungsfaktor-Korrekturschaltung (PFC) kann im sogenannten Grenzmodus („Borderline Mode”) betrieben werden.
Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Computersoftware-Programmprodukt vorgesehen, das ein derartiges Verfahren unterstützt, wenn es auf einer Recheneinrichtung in einem Betriebsgerät läuft bzw. durch Hartverdrahtung (ASIC) implementiert ist.
Weiterhin ist erfindungsgemäß auch ein Steuerbaustein (Mikrocontroller, ASIC, etc.) für ein Leuchtmittel-Betriebsgerät vorgesehen, der zur Unterstützung eines derartigen Verfahrens ausgelegt ist.
Schließlich schlägt die Erfindung auch ein Betriebsgerät für Leuchtmittel vor.
Weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung sollen nunmehr anhand der Erläuterung eines Ausführungsbeispiels deutlich gemacht werden. In den begleitenden Figuren zeigen
1 eine aus dem Stand der Technik DE 101 28 588 A1 bekannte Schaltung,
2a eine erfindungsgemäße Schaltung,
2b eine weitere erfindungsgemäße Schaltung, und
3 ein Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Es ist zu verstehen, dass erfindungsgemäß für den AC-Betrieb die Schaltung von 1 beibehalten werden kann. 2a und 2b zeigt zusätzlich die Bauteile, die für einen erfindungsgemäßen Betrieb mit DC-Netzspannung notwendig sein können. Im übrigen entsprechen sich diejenigen Bauteile, die in den beiden Figuren dieselben Bezugszeichen tragen.
Um das Störspektrum der Schaltung auch im Notfallbetrieb (DC-Netzbetrieb) zu verbessern, weist die erfindungsgemäße Schaltung wie in 2a dargestellt, eine Steuerschaltung 6 auf, die mittels eines Signals 15, das die gleichgerichtete Eingangsspannung U_i wiedergibt, und einer Schaltung 20 das Anliegen einer AC- oder DC-Spannung erkennt. Dabei kann beispielsweise eine Schaltung verwendet werden, die aus 4 der EP 490329 A1 grundsätzlich bekannt ist. Diese DC-Erkennungsschaltung 20 steuert einen Taktgenerator 8 an. Dieser Taktgenerator 8 ersetzt sozusagen die Nulldurchgänge der bei DC- nicht mehr vorhandenen Netzspannung. Der Taktgenerator 8 steuert somit das Auslesen der Verlängerungswerte für die Einschaltzeitdauer des Schalters S1 aus einer Look-Up-Tabelle an.
Wie grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt, wird ggf. auch die Busspannung U_Z gemessen und der Steuereinheit 6 zurückgeführt (Busspannungssignal 16), um durch Variation der Schaltfrequenz des Schalters S1 die Busspannung U_Z auf einen Sollwert U_REF zu regeln. Die Regelung der Busspannung ergibt also einen Reglerwert T_{ON_Regler} für die Ein- und Ausschaltzeitdauer des Schalters, welcher Reglerwert T_{ON_Regler} auch bei DC-Betrieb mit einem sich periodisch verändernden Zusatzwert T_{ON_ADD} beaufschlagt wird, um die Modulationstiefe und/oder die Schaltfrequenz zur Verbesserung des Störspektrums zu modulieren.
Bei Anliegen einer AC-Spannung ist diese Regelung der Busspannung U_Z mittels Erfassung der Busspannung 16 und durch den Regelkreis 9 indessen verhältnismäßig langsam im Vergleich zur Modulationsfrequenz bzw. Änderung der Einschaltzeitdauer t_on des Schalters S1, so dass diese Modulation in der Busspannung U_Z also nicht ausgeregelt wird und die Busspannung eine entsprechende im Verhältnis zur Schaltfrequenz des Schalter S1 niederfrequente Welligkeit aufweisen wird.
Diese Welligkeit der Busspannung kann indessen durch die Rückführung eines die Leuchtmittel-Leistung wiedergebenden Parameters 19 (Leuchtmittelspannung, Leuchtmittelstrom, Erfassung der Lichtleistung über einen optischen Sensor oder dgl.) als Istwert und die Ansteuerung der Schaltfrequenz des Wechselrichters 4 zur Konstanthaltung der Leuchtmittel-Leistung auf einen vorgegebenen Sollwert kompensiert werden. Die Kompensation der Welligkeit der Busspannung kann alternativ auch durch eine sogenannte „Feed Forward” Einstellung der Schaltfrequenz des Wechselrichters 4 erfolgen. Insbesondere kann mit steigender Höhe der aktuellen Busspannung die Schaltfrequenz des Wechselrichters 4 erhöht werden und bei sinkender Busspannung die Schaltfrequenz gesenkt werden.
Bei Anliegern einer DC-Spannung werden die aus der Look-up-Tabelle ausgelesenen Zusatzwerte T_{on_add} in einen Speicher des ASICs 6 geladen. Dann werden diese T_{on_add} Werte vom Schaltzeitverlängerungsblock 13 zur regulären T_{on_Regler} vom Regler 12 addiert: T_on = T_{on_add} + T_{on_Regler}
Dabei wird jeder T_on-Index für eine einstellbare Zeitdauer ('Sweep value') eingestellt und anschließend der nächste Index aus der Look-Up-Tabelle ausgewählt. Durch Veränderung des Sweep values kann die Modulationsfrequenz eingestellt werden.
In der praktischen Ausgestaltung sieht dies insbesondere derart aus, dass ausgehend von einem nominalen T_on-Wert für den Schalter des Konverters stufenweise die T_on-Zeit inkrementiert wird, und dann wieder verringert wird, bis sie symmetrisch unterhalb des nominalen T_on-Werts abgesunken ist. Dies wiederholt sich zyklisch. Durch die Modulation des T_on-Wertes wird erreicht, dass der T_off Wert mitmoduliert wird, da der PFC im Borderline Mode betrieben wird, d. h. es erfolgt ein Einschalten bei einem Drosselstrom = 0. Somit ist die PFC-Frequenz mit einem Frequenzhub moduliert, der proportional zur T_on-Modulation ist.
Es ist dabei zu betonen, dass zuerst die Regelschleife, die am Ausgang des PFCs eine bestimmte Sollbusspannung einstellen soll, ein Nominalwert für die Einschaltzeitdauer berechnet, und dann dieser Nominalwert gezielt zeitlich verändert wird. Die zeitliche Veränderung ergibt sich also nicht als Auswirkung des Regelalgorithmus, sondern wird erst nach Berechnung des Nominalwerts beaufschlagt. Somit liegt hier auch dann eine zyklische Frequenzveränderung oder T_on-Zeitveränderung vor, wenn Versorgungsspannung und Last konstant sind.
Um nun unzulässige Einschaltzeiten bei verringerter Last zu verhindern, wird also erfindungsgemäß der „Sweep Mode” abhängig von der Last adaptiv eingestellt, wobei die Last sich beispielsweise bei Multilampen-Geräte, an die Lampen unterschiedlicher Wattage angeschlossen werden können, oder auch bei unterschiedlichen Dimmpegeln verändern kann. Es wird also insbesondere der Frequenzbereich für den „Sweep Mode” des PFCs lastabhängig adaptiv eingestellt. 2a zeigt dazu beispielsweise einen weiteren, eine Lampeninformation wiedergebenden Parameter 22, welcher Informationen über die angeschlossene Last an den Ausgangsblock 11 liefert. Diese Informationen können bspw. Daten über die angeschlossene Last (wie z. B. über Erkennung des Lampentypes bzw. Wattage und/oder deren nominale Leistung) sein.
2b zeigt hingegen eine Schnittstelle 20, welche über eine Steuerleitung 21 eine Vorgabe für den gewünschten Dimmpegel erhält. Die Schnittstelle 20 kann dabei auch in der Steuereinheit 6 integriert sein. Die Vorgabe des Dimmpegels kann als ein digitales oder analoges Steuersignal vorliegen. Dieser vorgegebene Dimmpegel (Dimmwert) wird über den Parameter 23 dem Ausgangsblock 11 zugeführt. Der Parameter 23 enthält also eine Information über die Last, insbesondere eine Information über die Abweichung von der nominalen Last. Dieser Ausgangsblock 11 kann mit dieser Information dann wie zuvor beschrieben den sogenannten „Sweep Mode” abhängig von der Last adaptiv einstellen. In 2b nicht dargestellt ist der Einfluß der Schnittstelle auf die Ansteuerung des Betriebsgerätes zur Änderung der Helligkeit. Beispielsweise kann dies in bekannter Weise durch Änderung der Frequenz des Wechselrichters oder auch durch Änderung der Einschaltzeit der Schalter des Wechselrichters erfolgen.
3 zeigt hierzu in einem Zeit-Zeit-Diagramm vier Beispiele (von links nach rechts) von „Sweep Mode” Zyklen (jeweils mit vom Nominalwert ausgehenden ansteigenden, abfallenden und wieder ansteigenden stufenweisen Änderungen der Einschaltdauer des Schalters und einer nominalen Amplitude von 200 ns) bei unterschiedlichen Lasten, bei denen die drei rechten auf Grund einer niedrigen Last durch das erfindungsgemäße Verfahren in ihrer Amplitude begrenzt werden. Die X-Achse stellt dabei den grundsätzlichen zeitlichen Verlauf ohne Skalierung dar, während die Y-Achse die zeitliche Dauer der Einschaltzeit des Schalters wiedergibt und somit mit der Höhe der Ausgangsspannung des PFC korrespondiert. Somit wird verständlich, dass das linke Beispiel einer höheren Last bzw. einer höheren abgegebenen Leistung oder einem höheren Dimmpegel entspricht als die anderen.
Letztendlich hängt also der Frequenzhub von dem Nominalwert für die T_on-Zeit ab. Der Nominalwert ergibt sich aus dem Regelalgorithmus und entspricht in den vier Beispielen 300, 200, 100 und 250 ns.
Bei geringen Dimmwerten und/oder bei geringer Last ist natürlich der Nominalwert für die T_on-Zeit des Schalters des PFCs verringert, wie in den drei rechten Beispielen gezeigt. Daher wird bei verringerter Last und/oder verringerter T_on-Zeit für geringere Dimmwerte der Frequenzhub verringert, derart, dass also die Abweichung oberhalb/unterhalb des Nominalwerts verringert wird. die nominelle Amplitude des Sweep modes, hier 200 ns, die sich aus dem Frequenzhub ergibt, wird also durch das erfindungsgemäße Verfahren abhängig von der Last und somit von der nominellen Einschaltdauer des Schalters eingeschränkt. Somit wird insbesondere verhindert, dass bei dem symmetrischen Absenken der T_on-Zeit unzulässige (zu kurze) Einschaltzeiten für den Schalter erreicht werden wurden.
Das zweite und vierte Beispiel zeigen dabei, dass die Modulation durch den „Sweep Mode” teilweise verhindert, d. h. „abgeschnitten” werden kann, wenn die Einschaltdauer unter den kritischen Wert fällt. Bei einer stufenweisen Veränderung der Einschaltdauer, wie in den Beispielen gezeigt, ist es möglich, dass dabei einzelne Stufen „abgeschnitten” werden. Die Stufen, die also im unzulässigen Bereich liegen würden, werden verhindert und stattdessen die Einschaltzeitdauer solange auf dem niedrigsten erlaubten Wert festgesetzt. Somit sind im zweiten Beispiel die zwei vom „Sweep Mode” vorgeschriebenen Stufen mit T_ON = 50 ns und 0 ns abgeschnitten oder verhindert, bei denen die Einschaltdauer auf dem noch erlaubten Wert T_ON = 100 ns verbleibt. Sobald die vom „Sweep Mode” vorgeschriebene Einschaltdauer im erlaubten Bereich, also über 100 ns, wieder ansteigt, wird auch tatsächliche Einschaltdauer wieder entsprechend eingestellt. Damit der Nominalwert nicht verfälscht wird, werden die oberen Spitzen der Modulation entsprechend der unteren Spitzen angepasst, also abgeschnitten, damit der Durchschnittswert nicht verfälscht wird.
Die Bestimmung, bei welcher Stufe ein Zyklus des „Sweep Mode” abgeschnitten werden soll, kann zu Beginn des Zyklus des „Sweep Mode” erfolgen oder sobald der aktuelle Nominalwert der Einschaltdauer bestimmt worden ist.
Bei besonders geringer Last, wie im dritten Beispiel gezeigt, kann sogar der Frequenzhub ganz verhindert werden. Da jedoch auf Grund der entsprechend verringerten Leistung auch die EMV-Belastung niedrig ist, stellt so eine Begrenzung keine wesentliche Einschränkung bezüglich der EMV-Verträglichkeit dar. Bei sehr geringen Dimmwerten und somit sehr geringer T_on-Zeit (Nominalwert) kann also der Hub bis auf Null verringert werden, d. h. bei bestimmten Dimmpegeln oder geringen Lasten wird der „Sweep Mode” aufgehoben.
Wie bereits erwähnt, liegt bei der Erfindung auch eine zyklische Frequenzveränderung oder T_on-Zeitveränderung vor, wenn Versorgungsspannung und Last konstant sind. Gerade dann ist der „Sweep Mode” mit einer uneingeschränkten Modulation auf Grund der höheren Leistung zu wählen, um die EMV-Belastung durch den PFC zu verringern. Dies wird durch das linke (d. h. erste) Beispiel wiedergegeben.
Es kann in der Steuereinheit des PFCs ein Minimalwert T_on-min vorgegeben sein, dieser liegt in 3 bei 100 ns. Somit kann die Steuereinheit auch ohne Kenntnis eventuell vorliegender Dimmwertvorgaben (Dimmpegel) oder Lasten aufgrund des durch den Regelalgorithmus ermittelten Werts für T_on und die sich ergebende Differenz zu T_on-min den zulässigen Frequenzhub ermitteln.
Denkbar ist jedoch auch, dass, wenn der Nominalwert von T_on einen vorgegeben Minimalwert, beispielsweise 250 ns, erreicht, der „Sweep Mode” ausgesetzt wird. Dies würde bedeuten, dass lediglich bei dem ersten Beispiel ein unveränderter „Sweep Mode” angewandt werden würde, während der „Sweep Mode” bei den übrigen ausgesetzt ist.
Grundsätzlich lässt sich der „Sweep Mode” dadurch erreichen, dass eine Modulation des Rückführsignals (Istwertsignal für die Ausgangsspannung) erfolgt, so dass dann aufgrund dieser 'Verfälschung' der PFC-Regler eine Modulation der T_on-Zeit mit dem Versuch unternehmen wird, die ihm variierend erscheinende Ausgangsspannung konstant zu regeln. Wenn die genannte Lösung gewählt wird, nämlich eine Berechnung des T_on-Nominalwerts mit nachträglicher Modulation ist darauf zu achten, dass die Modulation so schnell ist, dass der Regler nicht ausregeln kann. Somit kann tatsächlich von einem konstanten Ton-Nominalwert mit nachträglicher schneller Modulation ausgegangen werden.
Alternativ kann natürlich auch die Sollwertvorgabe für die Ausgangsspannung moduliert werden. Bei einer Modulation der Sollwertvorgabe oder der Istwertvorgabe ist darauf zu achten, dass dies in einem Frequenzbereich erfolgt, den der Regelalgorithmus ausregeln kann.
Es soll festgehalten werden, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz in Betriebsgeräten für Leuchtmittel neben den in den Beispielen beschriebenen elektronischen Vorschaltgeräten (EVG) für Gasentladungslampen auch in Betriebsgeräten für anorganische und organische Leuchtdioden (LED) anwendbar ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10128588 A1 [0003, 0040]
WO 99/34647 A1 [0004]
WO 2006/042640 A2 [0013, 0028]
EP 490329 B1 [0034]
EP 490329 A1 [0045]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Betriebsgeräts für Lasten in Form von Leuchtmitteln, insbesondere eines Elektronischen Vorschaltgeräts (EVG) für Gasentladungslampen, wobei das Betriebsgerät eine mittels eines Schalters aktiv getaktete Leistungsfaktor-Korrekturschaltung (PFC) zur Verringerung von Oberschwingungen bei der Eingangsstromaufnahme aufweist, wobei – die Taktung des Schalters der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung bei eingangsseitigem Anliegen einer DC-Spannung zwischen zwei Grenzwerten moduliert wird, so dass die Grenzwerte einen Modulationshub definieren, und – der Modulationshub durch Veränderung des unteren und/oder des oberen Grenzwerts lastabhängig eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Modulationshub von der Wattage der angeschlossenen Leuchtmittel und/oder des aktuellen Dimmpegels abhängt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ausgangsspannung des PFC geregelt wird und die Modulation der Frequenz durch einen oder mehrere der folgenden Schritte erfolgt: – Modulation eines Sollwerts der Ausgangsspannung, – Beaufschlagung einer Modulation auf einen direkt oder indirekt erfassten Istwert der Ausgangsspannung, und/oder – Modulation der Steuergrösse der Regelung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einschaltzeitdauer t_ON des Schalters vorzugsweise stufenweise moduliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen einer vorgegeben unteren Schwelle der Last die Taktung des Schalters der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung nicht mehr moduliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst ein Nominalwert für die Einschaltzeitdauer des Schalters berechnet wird, wobei dementsprechend eine bestimmte Sollbusspannung am Ausgang des PFCs eingestellt wird, und dann die Modulation der Taktung des Schalters der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen einer vorgegeben oberen Schwelle der Last die Taktung des Schalters der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung normal, d. h. ohne eine Beschränkung moduliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsfrequenz der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung (PFC) derart gewählt wird, dass sich in der Ausgangsspannung der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung (PFC) eine nicht ausgeregelte Welligkeit einstellt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Welligkeit der Ausgangsspannung zur Konstanthaltung der Leistung der Leuchtmittel in einem folgenden Leuchtmittel-Regelkreis kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtmittel-Regelkreis die Welligkeit der zugeführten Ausgangsspannung durch Variation der Betriebsfrequenz der Leuchtmittel kompensiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsfrequenz der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung (PFC) in einem Bereich zwischen 50 Hz und 500 Hz, vorzugsweise 90 Hz bis 130 Hz gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung (PFC) mittels einer Timerschaltung erfolgt, mittels der Werte aus einer Look-Up-Tabelle ausgelesen werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass automatisch auf die Modulation mittels Timerschaltung und Look-Up-Tabelle umgeschaltet wird, sobald durch das Betriebsgerät das Anliegen einer DC-Spannung erkannt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsfaktor-Korrekturschaltung (PFC) im sogenannten Grenzmodus betrieben wird.
Computersoftware-Programmprodukt, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche unterstützt, wenn es auf einer Recheneinrichtung in einem Betriebsgerät läuft bzw. durch Hartverdrahtung implementiert ist.
Steuerbaustein für ein Leuchtmittel-Betriebsgerät, insbesondere integrierte Schaltung wie bspw. ASIC, Mikrokontroller oder Hybridversion davon, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Unterstützung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgelegt ist.
Betriebsgerät für Lasten in Form von Leuchtmitteln, insbesondere Elektronisches Vorschaltgerät (EVG) für Gasentladungslampen, wobei das Betriebsgerät eine Leistungsfaktor-Korrekturschaltung (PFC) zur Verringerung von Oberschwingungen bei der Eingangsstromaufnahme aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfrequenz der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung bei eingangsseitigem Anliegen einer DC-Spannung zwischen zwei Grenzwerten der Taktung moduliert wird, so dass die Grenzwerte einen Modulationshub definieren, und – der Modulationshub durch Veränderung des unteren und/oder des oberen Grenzwerts lastabhängig eingestellt wird..
Betriebsgerät nach einem der Ansprüche 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsfrequenz der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung (PFC) derart gewählt ist, dass sich in der Ausgangsspannung der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung (PFC) eine dementsprechende Welligkeit einstellt.
Betriebsgerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Welligkeit behaftete Ausgangsspannung einem Leuchtmittel-Regelkreis zugeführt wird, der zur Konstanthaltung der Leistung der Leuchtmittel die Betriebsfrequenz der Leuchtmittel variiert.
Betriebsgerät nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsfrequenz der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung (PFC) in einem Bereich zwischen 50 Hz und 500 Hz, vorzugsweise 90 Hz bis 130 Hz gewählt ist.
Betriebsgerät nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung (PFC) mittels einer Timerschaltung erfolgt, mittels der Werte aus einer Look-Up-Tabelle ausgelesen werden.
Betriebsgerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass es zur automatischen Aktivierung der Modulation mittels Timerschaltung und Look-Up-Tabelle bei Anliegen einer DC-Spannung ausgelegt ist.
Betriebsgerät nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsfaktor-Korrekturschaltung (PFC) für den Grenzmodusbetrieb ausgelegt ist.