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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der sogenannten Niedervolt-Versorgung insbesondere für Betriebsgeräte für Leuchtmittel, wie beispielsweise elektronische Vorschaltgeräte für Gasentladungslampen wie auch Treiber für LED-Module.
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Die Niedervoltversorgung ist eine Schaltungsanordnung, mittels der in dem Betriebsgerat eine DC-Spannungsversorgung in einem Spannungsbereich erzeugt werden kann, wie er fur die Versorgungsspannung von (aktiven) elektronischen Bauteilen (integrierten Schaltungen, Mikrocontrollern, ASICs etc.) typisch ist.
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Bei einem nach der
DE 10 2008 016 754 A1 bekannten Betriebsgerat wird der Anlaufwiderstand mittels eines Schalters mit ihm in Serie liegenden Schalterelementes abgeschaltet, wenn an dem Ladekondensator eine erste Schwellspannung überschritten wird. Dadurch entfallen im Betrieb die durch den Spannungsabfall an dem Anlaufwiderstand verursachten Verluste. Wenn die Spannung an dem Ladekondensator einen zweiten Schwellwert, der geringer als der erste ist, unterschreitet, wird der Anlaufwiderstand wieder zugeschaltet. Wenn die Spannung an dem Ladekondensator genügend hoch ist, wird eine Integrierte Schaltung in Betrieb gesetzt, die dann beginnt, eine Halb- oder Vollbruckenschaltung eines eine HF-Wechselspannung erzeugenden DC-AC-Spannungswandlers zu takten. Die HF-Spannung dient zum einen zum Betreiben einer Gasentladungslampe; zum anderen wird daraus durch Gleichrichtung eine Niedervolt-Gleichspannung erzeugt, welche dem Ladekondensator zugefuhrt wird und – nach dem Abschalten des Anlaufwiderstandes – zur alleinigen Versorgung der Integrierten Schaltung mit Niedervolt-Spannung dient. Wenn die aus der HF-Spannung gewonnene Niedervoltspannung einen dritten Grenzwert unterschreitet, wird sie von dem Ladekondensator wieder getrennt. Die Überwachung und Auswertung der Grenzwerte erfolgt mittels zwei Komparatoren und zwei zusatzlichen Schaltern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Betriebsgerät der vorstehend beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, dass es schneller gestartet und schaltungstechnisch einfacher realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelost durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches 1, und zwar durch
ein Betriebsgerät für Leuchtmittel,
aufweisend eine Niedervolt-Spannungsversorgungsschaltung, von der bspw. Integrierte Schaltungen des Betriebsgerätes, wie ASICs oder Mikrokontroller versorgbar sind,
wobei die Niedervolt-Spannungsversorgungsschaltung dazu ausgelegt ist,
- – in einer ersten kurzen Anlaufphase des Betriebsgerätes unmittelbar nach Einschalten von dessen Spannungsversorgung-Quelle einen relativ hohen Anlaufstrom zum Laden eines die Niedervoltspannung bereitstellenden Speicherelementes zu erzeugen, und
- – in einer zweiten im Vergleich dazu längeren Phase einen im Vergleich zu dem Anlaufstrom niedrigeren Ladestrom für das Speicherelement zu erzeugen.
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Die zweite, im Vergleich zu der kurzen Anlaufphase längere Phase, während der im Vergleich ein zu dem Anlaufstrom niedrigerer Ladestrom für das Speicherelement erzeugt wird, kann auch eine dauerhafte Phase während des Betriebs des Leuchtmittels sein.
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Eine praktische Ausgestaltung der vorstehend dargelegten allgemeinen Erfindungsidee ist gekennzeichnet durch
- – ein mit der Stromversorgungsquelle verbindbaren und zunächst auf Durchlass geschalteten Schalterelement und
- – mit dem Schalterelement in Serie geschalteten Strombegrenzungsmitteln, die aus zwei parallel geschalteten Strompfaden bestehen, von denen der erste gemeinsam mit dem Speicherelement im wesentlichen die Höhe und das zeitliche Abklingen des Anlaufstromimpulses und der zweite den Stromfluss nach Abklingen des Anlaufstromimpulses bestimmt.
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Das Vorsehen von zwei parallelen Strompfaden ermöglicht es, den Anlaufstromimpuls kurz, aber sehr stromintensiv zu machen, so dass die Ladung des Speicherelementes sehr schnell erfolgen kann. Wegen seiner zeitlichen Kürze ist der Anlaufstromimpuls für die mit dem Speicherelement verbundenen Halbleiter-Bauelemente ungefährlich, was bei langerer Zeitdauer aber gleicher Stromstärke nicht der Fall ware.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, auf die zur Vermeidung von Wiederholungen hier Bezug genommen wird. Die abhangigen Ansprüche sollen daher vollinhaltlich als Teil der Beschreibung gelten.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben.
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Es zeigen:
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1 ein schematisiertes Blockschaltbild der Niederspannungs-Versorgungsschaltung eines Betriebsgerätes fur Leuchtmittel, und
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2 eine grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Anlaufstromes und der Ladespannung an dem Speicherelement.
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1 zeigt nur die für die Niedervoltversorgung eines Betriebsgerätes für Leuchtmittel relevanten Bauteile. Dabei wird vorausgesetzt, dass der grundsätzliche Aufbau und die Funktionsweise derartiger Betriebsgerate bekannt sind. Die Niedervoltversorgung wird für Schaltungsteile benötigt, die als aktive Bauelemente Halbleiter enthalten. Im vorliegenden Fall ist das eine als ASIC gestaltete Integrierte Schaltung 6, die u. a. einen Taktgenerator zum Takten der Schalter S1 und S2 einer Halbbrücke umfasst. Die Halbbrücke bildet einen Spannungswandler 7, der über einen Bus mit einer Gleichspannung VBus von etwa 320 V nach dem Netzeinschalten und von etwas 400 V im Betrieb gespeist wird. Die mit Hochfrequenz getaktete Halbbrücke erzeugt daraus eine hochfrequente Wechselspannung, mittels welcher in bekannter aber nicht dargestellter Weise eine Gasentladungslampe über einen ebenfalls nicht dargestellten Serienschwingkreis betrieben wird.
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Zum Erzeugung der für das Anlaufen der für die Versorgung der Integrierten Schaltung 6 erforderlichen Niederspannung dient ein Schalterelement 1, das in Serie mit Strombegrenzungsmitteln 2 und einem Speicherelement 3 zwischen dem Bus und masse angeordnet ist.
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Das Schalterelement 1 ist von einem MOS-FET gebildet, dessen Gate-Drain-Strecke mit einem Vorwiderstand R30 überbückt ist, so dass der Gate-Anschluss des MOS-FET die fur seine Funktion notwendige Vorspannung hat.
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Die Strombegrenzungsmittel 2 bestehen aus einem ersten Strompfad und einem dazu parallel verlaufenden zweiten Strompfad. Der erste Strompfad ist durch eine Serienschaltung eines Anlaufwiderstandes R32 und eines Anlaufkondensators C32 realisiert. Der zweite Strompfad besteht aus einem Strombegrenzungswiderstand R31. Der Anlaufkondensator C32 ist beispielsweise ein Elektrolytkondensator hoher Kapazität. Der Strombegrenzungswiderstand R31 ist sehr viel großer als der Anlaufwiderstand R32.
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Das Speicherelement 6 ist durch ein Kondensator C33, der ebenfalls als Elektrolytkondensator realisiert sein kann.
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Die Niedervolt-Spannungsversorgungsschaltung enthalt ferner einen Grenzwertgeber-Schaltungsteil 4. Dieses besteht aus einem ersten npn-Bipolar-Transistor Q31, dessen Emitter-Kollektor-Strecke mit zwei Zenerdioden 31, 32 in Serie zwischen den Gate-Anschluss des MOS-FET M30 und Masse geschaltet ist. Der Basis-Anschluss des Transistors Q31 ist mit dem heißen Anschluss des Ladekondensators C33 verbunden.
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Weiterhin sind für die Niedervolt-Spannungsversorgung Schaltmittel 5 für den MOS-FET M30 vorgesehen, und zwar in Form eines npn-Bipolar-Transistors Q30, dessen Basis-Kollektor-Strecke in Serie mit einer Zenerdiode Z33 geschaltet ist. Der Basis-Anschluss des Transistors Q30 liegt am Source-Anschluss des MOS-FET M30. Die Zenerdiode Z33 ermöglicht eine Verkleinerung des Anlaufkondensators C32.
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Der Spannungswandler 7 ist über Ladungspumpmittel 8 mit dem Ladekondensator C33 verbunden. Zu den Ladungspumpmitteln 8 gehören ein Trennkondensator C30, der einerseits mit dem Verbindungspunkt der beiden getakteten Schalter S1, S2 der den Spannungswandler 7 bildenden Halbbrucke und andererseits mit dem einen Anschluss einer Gleichrichterdiode D30 verbunden, deren anderer Anschluss an Masse liegt. Der Verbindungspunkt der beiden zuletzt erwähnten Bauelemente ist durch eine Glättungsinduktivität L30 mit dem heißen Anschluss des Ladekondensators C33 verbunden.
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Die Integrierte Schaltung 6 ist zu dem Ladekondensator C33 parallel geschaltet bildet für die Niedervolt-Spannungsversorgung die Last.
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Nachfolgend wird nun die Funktion der in 1 dargestellten Schaltung beschrieben:
Im ausgeschalteten Zustand ist die Schaltung von der Versorgungs-Spannungsquelle VBus durch einen nicht dargestellten geöffneten Schalter getrennt. Wenn der Schalter geschlossen wird, um die Schaltung in Betrieb zu setzen, liegt sowohl an dem Spannungswandler mit 7 als auch an den übrigen Schaltungsteilen die Versorgungsspannung an. Der Spannungswandler 7 kann jedoch einen Betrieb solange nicht aufnehmen, wie seinen Schaltern S1, S2 keine Schaltimpulse zugeführt werden. Da der Spannungswandler also zunächst noch nicht arbeitet kann er auch keine Niedervolt-Spannung erzeugen, die zum Betrieb der Integrierten Schaltung 6 erforderlich ist, dessen Bestimmung u. a. die Erzeugung der Taktimpulse für die beiden Schalter S1, S2 des Wechselrichters 7 ist.
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Die Erzeugung der Niedervolt-Spannung für die Integrierte Schaltung 6 Übernimmt daher zunächst Die Anlaufstrom-Strecke, die gebildet ist von der Serienschaltung des MOS-FET M30, der Strombegrenzungsmittel 2 und des Speicherelementes 3 in Form des Ladekondensators C33. Durch den Vorwiderstand R30 ist der MOS-FET M30 in dieser ersten Phase voll leitend, so dass durch diesen und die Strombegrenzungsmittel 2 ein Anlaufstrom IAnlauf zu dem Ladekondensator C33 fließt und diesen aufzuladen beginnt. Der Anlaufstrom steigt dabei zunächst sprunghaft auf einen Maximalwert an, der im wesentlichen durch den Anlaufwiderstand R32 bestimmt ist. Dies deshalb, weil der Strombegrenzungswiderstand R31 – wie bereits erwahnt – sehr viel größer als der Anlaufwiderstand R32 ist. Im Moment des Einschaltens liegt die Versorgungsspannung VBus sofort an, wobei die Impedanz des Anlaufkondensators C32 sehr klein und gegenüber dem Widerstandswert des Anlaufwiderstandes R32 vernachlässigbar ist. Der Anlaufstrom IAnlauf bleibt für eine Anlaufphase auf einem relativ hohen Wert, und zwar mit einer Zeitkonstanten, die im wesentlichen durch den Ladekondensator C33 (d. h. solange der Ladekondensator C33 geladen wird), den Anlaufkondensator C32 und den Anlaufwiderstand R32 bestimmt ist. Wie man der 2 entnehmen kann, tritt der Anlaufstrom IAnlauf zu Anfang impulsartig auf. Der Anlaufstrom IAnlauf kann aber auch mit einer annähernd gleichbleibenden Amplitude während der Anlaufphase auftreten. An dieser Stelle sei bemerkt, dass es auf diese Weise möglich ist einen sehr kurzen aber stromintensiven Anlaufstrom-Impuls zu erzeugen, der ein sehr schnelles Laden des Ladekondensators C33 zulässt, ohne die ubrigen Bauelemente, insbesondere den MOS-FET M30 zu gefahrden. Mit einem ebenso stromintensiven aber zeitlich längeren Verlauf des Anlaufstromes IAnlauf wäre das nicht gesichert.
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Die über den Strombegrenzungsmitteln 2 abfallende Spannung steuert den Transistor Q30. Wird der Spannungsabfall zu groß, so wird der Transistor Q30 leitend, mit der Folge, dass der Anlaufstrom IAnlauf auf einen zulässigen Wert begrenzt wird.
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Der Ladekondensator C33 sind so dimensioniert, dass die Ladespannung an dem Ladekondensator C33 einen durch den Grenzwertgeber-Schaltungsteil 4 vorgegebenen Grenzwert während einer definierten Ladezeit (Anlaufzeit) erreicht. Dieser Grenzwert entspricht der Summe der Zenerspannungen der beiden Zenerdioden Z30, Z31 in Höhe von etwa 10 V. In diesem Fall ist der Transistor Q31 nicht-leitend.
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Mit dem Ansteigen der Ladespannung an dem Ladekondensator C33 beginnt auch die Integrierte Schaltung 6 zu arbeiten und Taktimpulse an die beiden Schalter S1, S2 des Spannungswandlers 7 zu liefern. Damit beginnt auch dieser zu arbeiten und eine hochfrequente Wechselspannung zu erzeugen. Diese steht auch an dem Brückenpunkt der den Spannungswandler 7 bildenden Halbbrücke an. Sie wird über den Trennkondensator C30 an die Gleichrichterdiode D30 weitergeführt. Während der steigenden Flanke der hochfrequenten Wechselspannung am Brückenpunkt der den Spannungswandler 7 wird eine Energie über die Glattungsinduktivität L30 dem Ladekondensator C33 zugeführt und die somit gespeiste Spannung dabei geglattet. Der Spannungswandler 7, der Trennkondensator C30, die Gleichrichterdiode D30 und die Glättungsinduktivitat L30 bilden eine Ladungspumpe, mittels welcher dem Ladekondensator C33 nun eine zusätzliche Gleichspannung zugeführt wird.
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Durch die dem Ladekondensator C33 nunmehr zusätzlich zugeführte Spannung steigt die Gesamtspannung an dem Ladekondensator auf einen Wert oberhalb des oben erwahnten Grenzwertes von 10 V. Dadurch wird die Emitter-Basis-Strecke des Transistors Q31 leitend. Der Spannungsabfall über der Emitter-Basis-Strecke beträgt bei einem leitenden silizium-dotierten Transistor ca. 0,7 V. Wenn der Spannungsabfall Über den beiden Zenerdioden Z30, Z31 und der Basis-Emitter-Strecke des Transistors Q31 den Wert von 11,5 V übersteigt, wird der Transistors Q31 voll leitend mit der Folge, dass der Gate-Anschluss des MOS-FET M30 auf ein niedrigeres Potential gezogen wird. Dadurch wird der MOS-FET M30 nicht-leitend, d. h. er sperrt. Da dann kein Anlaufstrom mehr fließt, entstehen auch keine Verluste. Die Versorgung der Integrierten Schaltung 6 erfolgt nunmehr ausschließlich durch den Spannungswandler 7.
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Wenn der Betrieb des Spannungswandlers 7 unterbrochen oder gestört wird, so sinkt die Spannung an dem Ladekondensator C33 wieder bis auf den Grenzwert von 10 V, wodurch der Anlaufstrom wieder fließen und die Integrierte Schaltung 6 im Betrieb halten kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008016754 A1 [0003]
