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Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Bestimmung einer Lampenspannung, insbesondere einer Gasentladungslampe, entsprechend dazu ein Betriebsgerät, eine Leuchte, ein Leuchtsystem oder ein Leuchtmodul. Auch wird ein Verfahren vorgeschlagen zur Bestimmung der Lampenspannung.
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Gasentladungslampen, insbesondere sogenannte Hochdruck-Gasentladungslampen (HID-Lampen) sind bekannt. Weiterhin sind kompakte Fluoreszenz-Lampen (CFL-Lampen) oder Hochdruck-Natrium-Lampen (HPS-Lampen) bekannt. Derartige Lampen werden mittels eines (elektronischen) Vorschaltgeräts, auch bezeichnet als Betriebsgerät, betrieben.
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Die Lampe wird mit einer Hochfrequenz (z.B. in einem Bereich von 80kHz bis 200kHz) mit (nahezu) konstanter Leistung betrieben, wobei die Betriebsspannung der Lampe in einem vorteilhaften Bereich sein sollte, so dass eine optimierte Lebensdauer der Lampe erreicht werden kann. Zu diesem Zweck ist es notwendig, die Lampenspannung mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
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In bisherigen Lösungen wurde die Lampenspannung durch eine "Peak-Detektor"-Schaltung erfasst. Eine übliche Realisierung verwendet eine Diode, die eine hohe Sperrspannung und niedrige Ausregelzeit ("Recovery-Zeit") aufweist. Hierbei ist die Genauigkeit der gemessenen Lampenspannung gering, weil diese stark von den tatsächlichen Parametern der Diode abhängt und somit durch die Diode selbst verfälscht wird. Ein weiterer Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass eine in der Messschaltung skalierte Spannung, die eine geringere Amplitude aufweist als die Durchflussspannung des pn-Übergangs (z.B. von 0,6V), nicht erfasst werden kann. Zusätzlich ist auf diese Weise eine Erfassung des Effektivwerts (RMS-Wert) der Lampenspannung nicht möglich.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine effiziente und kostengünstige Möglichkeit anzugeben, die Lampenspannung zu ermitteln.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Schaltung zur Bestimmung einer Lampenspannung vorgeschlagen
- – bei der die Lampenspannung skalierbar ist,
- – mit einem Stromspiegel, anhand dessen die skalierte Lampenspannung in einen Strom und dieser Strom wieder in eine Spannung umgewandelt wird,
- – bei der die anhand des Stromspiegels umgewandelte Spannung auswertbar ist.
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Bei der Lampenspannung oder bei dem Teil der Lampenspannung kann es sich um eine proportionalen skalierten Anteil der an der Lampe abfallenden Spannung handeln.
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Hierbei sei angemerkt, dass die "skalierte Lampenspannung" eine entsprechend konvertierte Spannung, die mit der tatsächlichen Lampenspannung assoziiert ist, darstellt. Die Messung der skalierten (also beispielsweise auf ein günstiges messbares Spannungsniveau herabgesetzte) Lampenspannung ermöglicht beispielsweise eine Kleinsignalverarbeitung mittels der zur Messung vorgesehenen Schaltung.
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Durch den Stromspiegel ist es möglich, die Lampenspannung mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.
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Hierbei sei angemerkt, dass der Stromspiegel insbesondere eine Transistor-Schaltung darstellt, mit der es möglich ist, von einem vorhandenen Referenzstrom einen weiteren Strom abzuleiten. Der Stromspiegel ermöglicht es, Ströme zu kopieren und zu skalieren, und stellt somit eine stromgesteuerte Stromquelle dar.
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Eine Weiterbildung ist es, dass die Lampenspannung anhand eines Spannungsteilers skalierbar ist.
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Eine andere Weiterbildung ist es, dass die anhand des Stromspiegels umgewandelte Spannung eine Spannung ist, die an einem Ausgang des Stromspiegels über einem Widerstand abfällt.
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Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass die anhand des Stromspiegels umgewandelte Spannung mittels eines Kondensators von einem Gleichspannungsanteil entkoppelt ist.
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Auch ist es eine Weiterbildung, dass die anhand des Stromspiegels umgewandelte Spannung mittels einer Peak-Detektionsschaltung auswertbar ist.
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Ferner ist es eine Weiterbildung, dass die Peak-Detektionsschaltung einen Verstärker und einen Kondensator als Ladungsspeicher aufweist.
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Die Peak-Detektorschaltung kann auch als Spitzenwert-Detektorschaltung oder Pegelmesser bezeichnet werden. Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Möglichkeiten zur Realisierung einer Peak-Detektorschaltung.
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Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung weist der Verstärker mindestens einen Transistor in einer Emitterfolgerschaltung auf.
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Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass die anhand des Stromspiegels umgewandelte Spannung mittels einer Verarbeitungseinheit, insbesondere mittels eines Mikrokontrollers oder eines Prozessors auswertbar ist.
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Eine Ausgestaltung ist es, dass die Lampe eine Gasentladungslampe, insbesondere
- – eine Hochdruck-Gasentladungslampe,
- – eine kompakte Fluoreszenz-Lampe oder
- – eine Hochdruck-Natrium-Lampe
ist.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst mittels eines Betriebsgeräts (auch bezeichnet als elektronisches Vorschaltgerät, EVG) für mindestens eine Lampe umfassend eine Schaltung wie hierin beschrieben.
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Eine Lösung der obigen Aufgabe stellt auch eine Leuchte, ein Leuchtsystem und/oder ein Leuchtmodul dar, mit mindestens einem Betriebsgerät und/oder mit mindestens einer Schaltung wie vorliegend beschrieben.
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Die vorstehende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung einer Lampenspannung, insbesondere einer Gasentladungslampe,
- – bei dem die Lampenspannung skaliert wird,
- – bei dem die skalierte Lampenspannung mittels eines Stromspiegels in einen Strom und dieser Strom wieder in eine Spannung umgewandelt wird,
- – bei der die anhand des Stromspiegels umgewandelte Spannung ausgewertet wird.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert wird.
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Es zeigt:
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1 eine Schaltung zur Messung einer Lampenspannung wie sie beispielsweise in einem Betriebsgerät für eine Lampe vorgesehen sein kann.
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Die hier vorgestellte Lösung nutzt einen Stromspiegel, um eine Lampenspannung zu bestimmen. Hierbei wird zunächst eine (erste) Spannung in einen Strom und dann wird der Strom in eine (zweite) Spannung umgewandelt. Diese (zweite) Spannung kann erfasst und/oder ausgewertet werden.
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Diese Lösung hat insbesondere den Vorteil, dass nur ein geringer Bauteilaufwand erforderlich ist und dass (ggf. auch gleichzeitig) mehrere Möglichkeiten zur Erfassung der Lampenspannung zur Verfügung stehen.
- (1) Eine skalierte Lampenspannung mit einem addierten Offset kann z.B. mittels eines Mikrocontrollers oder eines Signalprozessors erfasst und verarbeitet werden. Auf diese Art kann ein Effektivwert der Lampenspannung bestimmt werden.
- (2) Die skalierte Lampenspannung kann ohne Offset (also als ein Wechselsignal ohne Gleichanteil) ermittelt werden.
- (3) Die Lampenspannung kann mittels einer Peak-Detektion bestimmt werden z.B. durch einen Transistor (in Emitterfolgerschaltung).
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Hierbei sei angemerkt, dass die "skalierte Lampenspannung" eine entsprechend konvertierte Spannung, die mit der tatsächlichen Lampenspannung assoziiert ist, darstellt. Die Messung der skalierten (also beispielsweise auf ein günstiges messbares Spannungsniveau herabgesetzten) Lampenspannung ermöglicht eine Kleinsignalverarbeitung mittels der zur Messung vorgesehenen Schaltung.
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Der Offset stellt einen Gleichsignalanteil (auch bezeichnet als Gleichanteil) dar.
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Die hier vorgestellte Lösung hat unter anderem die folgenden Vorteile: Die Lampenspannung kann mit geringem Aufwand mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden. Die Art der Bestimmung der Lampenspannung ermöglicht eine vielfältige Weiterverarbeitung. Beispielsweise kann mittels einer Peak-Detektion auch eine Lampenspannung, die kleiner ist als eine Durchflussspannung einer pn-Diode, gemessen werden.
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1 zeigt eine Schaltung wie sie beispielsweise in einem Betriebsgerät für eine Lampe vorgesehen sein kann.
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Eine Hilfsversorgungsspannung 101 ist zwischen einem Knoten 102 und einem Knoten 103 angeschlossen, wobei der Knoten 103 dem Massepotential entspricht. Eine Lampe 110 ist zwischen einem Knoten 115 und dem Massepotential angeordnet. Parallel zu der Lampe 110 ist eine Serienschaltung aus Widerständen 108 und 109 vorgesehen, wobei ein Mittenabgriff dieser Serienschaltung einem Knoten 116 entspricht.
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Ferner ist ein Stromspiegel umfassend pnp-Transistoren 104 und 106 vorgesehen.
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Der Emitter des Transistors 104 ist über einen Widerstand 127 mit dem Knoten 102 verbunden, die Basis und der Kollektor des Transistors 104 sind miteinander und mit dem Knoten 116 verbunden. Der Emitter des Transistors 106 ist über einen Widerstand 105 mit dem Knoten 102 und die Basis des Transistors 106 ist mit der Basis des Transistors 104 verbunden. Der Kollektor des Transistors 106 ist über einen Widerstand 107 mit dem Knoten 103 verbunden. Weiterhin ist der Kollektor des Transistors 106 mit einem Knoten 117 verbunden.
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Die in 1 gezeigte Schaltung weist auch eine Verstärkungsschaltung mit zwei npn-Transistoren 119 und 120 auf, die in Form einer Darlington-Schaltung angeordnet sind.
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Der Knoten 117 ist über einen Widerstand 118 mit der Basis des Transistors 119 verbunden. Der Kollektor des Transistors 119 ist über einen Widerstand 121 mit dem Knoten 102 sowie mit dem Kollektor des Transistors 120 verbunden. Der Emitter des Transistors 119 ist mit der Basis des Transistors 120 und über einen Widerstand 122 mit dem Knoten 103 verbunden. Der Emitter des Transistors 120 ist über einen Kondensator 123 mit dem Knoten 103 verbunden, wobei parallel zu dem Kondensator 123 eine Serienschaltung aus Widerständen 124 und 125 angeordnet ist, deren Mittenabgriff einem Anschluss 126 entspricht.
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Weiterhin ist der Knoten 117 mit einem Anschluss 113 verbunden. Der Knoten ist über einen Kondensator 111 mit einem Anschluss 114 verbunden, der über einen Widerstand 112 mit dem Knoten 103 verbunden ist (damit sind der Kondensator 111 und der Widerstand 112 in Reihe geschaltet).
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Die Hilfsversorgungsspannung 101 kann auf unterschiedliche Arten z.B. von einem Betriebsgerät bereitgestellt werden. Hierfür kann beispielsweise ein Spannungsteiler oder ein Spannungsregler eingesetzt werden. An der Lampe 110 fällt die zu messende Lampenspannung ab.
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Beispielsweise kann die in 1 gezeigte Schaltung wie folgt dimensioniert bzw. bestückt werden:
- – Widerstand 127 = 270 Ohm,
- – Widerstand 105 = 270 Ohm,
- – Widerstand 107 = 5 kOhm,
- – Widerstand 112: nicht bestückt,
- – Widerstand 118 = 10 kOhm,
- – Widerstand 122 = 150 kOhm,
- – Widerstand 121 = 10 Ohm,
- – Widerstand 125 = 100 kOhm,
- – Widerstand 124 = 0 Ohm,
- – Widerstand 108 = 400 kOhm,
- – Widerstand 109 = 10 kOhm,
- – Kondensator 111: nicht bestückt,
- – Kondensator 123: 100 nF,
- – Transistor 104: BCV62B,
- – Transistor 106: BCV62B,
- – Transistor 119: BC817,
- – Transistor 120: BC817.
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Die Hilfsversorgungsspannung 101 kann z.B. 15V Gleichspannung betragen.
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Anhand der Widerstände 127 und 105 wird der Stromspiegel so eingestellt, dass die Transistoren 104 und 106 (in etwa) gleich wirken. Der Spannungsteiler aus den Widerständen 108 und 109 skaliert die Spannung an der Lampe 110, d.h. transformiert sie auf einen Wert, der von der Schaltung geeignet verarbeitet werden kann. Diese Spannung (an dem Knoten 116) wird von dem Stromspiegel in einen Strom gewandelt und wieder in eine Spannung (abgreifbar an dem Anschluss 113) umgesetzt.
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So entspricht die an dem Anschluss 113 abgreifbare Spannung dem Kollektorstrom des Stromspiegels (des Transistors 106). An dem Anschluss 111 ist die Lampenspannung ohne Gleichspannungsanteil (Offset) bestimmbar.
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Die Darlington-Schaltung umfassend die Transistoren 119 und 120 dient als Verstärkerstufe und als Peak-Detektor. So wird der Kondensator 123 aufgrund der Verstärkung der Darlington-Schaltung und dem niederohmigen Widerstand 121 schnell aufgeladen, eine Entladung erfolgt über die Widerstände 124 und 125. An dem Anschluss 126 ist somit die entsprechend detektierte (quasi-stationäre) Lampenspannung abgreifbar. Diese kann z.B. mittels eines A/D-Wandlers oder eines Mikrokontrollers erfasst und/oder weiterverarbeitet werden. Die an dem Anschluss 126 anliegende Spannung entspricht in etwa dem Scheitelwert der Spannung an dem Knoten 117 (und damit an dem Anschluss 113) minus zweimal der Durchflussspannung des Transistors 119 (also in etwa 1,2 V). Dieses Signal kann durch einen A/D-Wandler abgetastet und so kann die Lampenspannung gemessen werden.
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Alternativ zu der oben vorgeschlagenen Dimensionierung könnte der Widerstand 108 ein 10 kOhm Widerstand sein und der Widerstand 109 könnte nicht bestückt sein.
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Mit einem Kurzschluss am Eingang (der Knoten 115 ist mit dem Knoten 103 verbunden) kann der Gleichspannungsanteil an den Anschlüssen 113 und 114 kalibriert werden.
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Ist die Amplitude der Lampenspannung größer als die Hilfsversorgungsspannung 101 (z.B. falls die Lampenspannung eine symmetrische Wechselspannung ist), kann die Lampenspannung dennoch erfasst werden, falls lediglich eine (z.B. die negative) Halbwelle der Wechselspannung berücksichtigt wird.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das mindestens eine gezeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Hilfsversorgungsspannung
- 102
- Knoten
- 103
- Knoten
- 104
- pnp-Transistor (Teil des Stromspiegels)
- 105
- Widerstand
- 106
- pnp-Transistor (Teil des Stromspiegels)
- 107
- Widerstand
- 108
- Widerstand
- 109
- Widerstand
- 110
- Lampe bzw. Lampenspannung (Spannung, die an der Lampe abfällt)
- 111
- Kondensator
- 112
- Widerstand
- 113
- Anschluss
- 114
- Anschluss
- 115
- Knoten
- 116
- Knoten
- 117
- Knoten
- 118
- Widerstand
- 119
- npn-Transistor (Teil des Verstärkers bzw. der Peak-Detektorschaltung)
- 120
- npn-Transistor (Teil des Verstärkers bzw. der Peak-Detektorschaltung)
- 121
- Widerstand
- 122
- Widerstand
- 123
- Kondensator
- 124
- Widerstand
- 125
- Widerstand
- 126
- Anschluss
- 127
- Widerstand
