DE102011081211B4

DE102011081211B4 - Schaltungsanordnung und Verfahren zum alternativen Betreiben entweder einer Hochdruckentladungslampe oder mindestens einer Halbleiterlichtquellenlampe

Info

Publication number: DE102011081211B4
Application number: DE102011081211A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Siessegger
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2011-08-18
Filing date: 2011-08-18
Publication date: 2013-03-07
Anticipated expiration: 2031-08-19
Also published as: DE102011081211A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum alternativen Betreiben entweder einer Hochdruckentladungslampe oder mindestens einer Halbleiterlichtquellenlampe mit folgenden Merkmalen: – einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss, – einen Spannungswandler, der mit dem Eingangsanschluss gekoppelt ist, – einen Wechselrichter, der mit dem Ausgang des Spannungswandlers gekoppelt ist, – eine Steuerschaltung die den Spannungswandler und den Wechselrichter betreibt, und in der ein Unterprogramm zum Betreiben der Hochdruckentladungslampe abgespeichert ist und in der ein Unterprogramm zum Betreiben der Halbleiterlichtquellenlampe abgespeichert ist, – eine erste Filterschaltung, deren Eingang mit dem Ausgang des Wechselrichters und deren Ausgang mit dem Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung gekoppelt ist, – wobei das elektronische Betriebsgerät eingerichtet ist, anhand der polaritätsabhängigen und/oder anhand der frequenzabhängigen Eigenschaften den Lampentyp einer angeschlossenen Lampe zu erkennen und das entsprechende Unterprogramm aufzurufen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum alternativen Betreiben entweder einer Hochdruckentladungslampe oder mindestens einer Halbleiterlichtquellenlampe.
Hintergrund
Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung und von einem Verfahren zum alternativen Betreiben entweder einer Hochdruckentladungslampe oder mindestens einer Halbleiterlichtquellenlampe nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Im Allgemeinen werden für unterschiedliche Lampen oder Leuchtmittel unterschiedliche elektronische Betriebsgeräte verwendet. Bekannt ist z. B. aus der DE 10 2007 008 148 A1 der Betrieb von unterschiedlichen Hochdruckentladungslampen am gleichen Vorschaltgerät, welches eine automatische Lampenerkennung beinhaltet. Für Leuchtdiodenmodule ist Ähnliches bekannt, wobei eine Kommunikation z. B. über einen oder mehrere Daten- bzw. Kommunikationsleitungen zwischen dem elektronischen Betriebsgerät und dem Leuchtdiodenmodul genutzt wird, wie beispielsweise in der WO 2011/067177 A1 beschrieben.
Aus der DE 10 2007 028 785 A1 ist eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung bekannt, die in einem elektronische Betriebsgerät implementiert ist, welches wahlweise eine Gasentladungslampe oder eine Leuchtdiodenlichtquelle betreiben kann. Dazu weist das elektronische Betriebsgerät zwei Ausgänge auf, einen zum betreiben der Gasentladungslampe und einen zum betreiben der Leuchtdiodenlichtquelle.
Aus der WO 2008/083698 A1 ist ein elektronisches Betriebsgerät zum Betreiben von Leuchtdiodenmodulen bekannt, das verschiedene Leuchtdiodenmodule über eine Rückwärtsspannung identifizieren und richtig betreiben kann.
Aus der DE 10 2008 064 399 A1 ist ein elektronisches Betriebsgerät zum Betreiben einer Gasentladungslampe mit geregeltem Strom bekannt.
Aus der DE 10 2006 003 615 A1 ist ein Fahrzeugscheinwerfer bekannt, der eine Hochdruckentladungslampe und eine Leuchtdiodenlichtquelle gleichzeitig betreiben kann. Dazu weist der Fahrzeugscheinwerfer zwei elektronische Betriebsgeräte auf, eines für die Hochdruckentladungslampe und eines für die Leuchtdiodenlichtquelle.
Aus der DE 10 2008 064 399 A1 ist weiterhin ein Verfahren und ein Betriebsgerät zum Betreiben eines Leuchtmittels mit geregeltem Strom bekannt, welches eine Hochdruckentladungslampe oder eine Leuchtdiodenlampe alternativ betreiben kann. Jedoch sind Teile der Schaltungsanordnung in die Hochdruckentladungslampe bzw. die Leuchtdiodenlampe verlagert, da die dort offenbarten Schaltungsanordnungen für die Hochdruckentladungslampe bzw. die Leuchtdiodenlampe unterschiedlich sind.
Eine automatische Erkennung ob mindestens ein Leuchtdiodenmodul und/oder eine Hochdruckentladungslampen an das elektronischen Betriebsgerät angeschlossen ist, und im Fall unterschiedlicher Leuchtdiodenmodule welches Leuchtdiodenmodul angeschlossen ist, ohne eine zusätzliche Kommunikation zu benötigen sowie der Betrieb von Leuchtdiodenmodulen- und Hochdruckentladungslampen am gleichen elektronischen Betriebsgerät sind bisher nicht bekannt.
Zum Betreiben von Hochdruckentladungslampen muss das Betriebsgerät einen großen Ausgangsspannungs- und Ausgangsstrombereich abdecken können, und zudem eine Stromregelung (innere Regelschleife) als auch eine Leistungsregelung (äußere Regelschleife) sowie eine Spannungsbegrenzung der Ausgangsspannung im elektronischen Betriebsgerät vorhanden sein. Damit sind die Voraussetzungen vorhanden, mit diesem elektronischen Betriebsgerät auch Leuchtdiodenmodule zu betreiben. Insbesondere quecksilberfreie Hochdruckentladungslampen kleiner Leistung (z. B. 35 W Xenarc Lampen) weisen Nennströme im Bereich typischer High-Power-Leuchtdiodenmodule (typischerweise 500 ... 1000 mA) auf.
Aufgabe
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum alternativen Betreiben entweder einer Hochdruckentladungslampe oder mindestens einer Halbleiterlichtquellenlampe anzugeben.
Darstellung der Erfindung
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Wattage der am elektronischen Betriebsgerät zu betreibenden Hochdruckentladungslampe bekannt. Unter der Hochdruckentladungslampe soll hierbei die Kombination aus mindestends einem Zündgerät und einem Hochdrucklampenbrenner verstanden werden, die sowohl in eine Lampe integriert sein können als auch mehreren, durch Kabel miteinander verbundene Komponenten ausgeführt sein können. Im Fall der Leuchtdioden sind dem elektronischen Betriebsgerät mögliche Nennströme (z. B. Produkte mit 200 mA, 350 mA, 700 mA und 1 A) bekannt. Erfindungsgemäß wird dabei die gleiche Stromregelung zum Betrieb beider Leuchtmittel verwendet.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt folgendes Prinzip zugrunde: Eine Hochdruckentladungslampe vor der Zündung und eine Leuchtdiode besitzen ein signifikant unterschiedliches elektrisches Verhalten. Während die Hochdruckentladungslampe im Wesentlichen für Ströme beliebiger Polarität und Frequenz einen sehr hohen Widerstand darstellt, besitzt eine Leuchtdiode einen geringeren Widerstand (insbesondere bei Verwendung von Überspannungsschutzdioden antiparallel zu den Leuchtdioden gilt dies für beiden Polaritäten), der zudem von der Polarität der angelegten Spannung abhängt. Dieser Unterschied im elektrischen Verhalten wird nach dem Einschalten des elektronischen Betriebsgeräts zur Lampenerkennung genutzt. Daher ist keine zusätzliche Kommunikation zwischen der mindestens einen Halbleiterlichtquellenlampe und/oder der Hochdruckentladungslampe und dem elektronischen Betriebsgerät erforderlich.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und das erfindungsgemäße Verfahren bringen unter anderem folgende Vorteile mit sich:

A) Automatische Lampenerkennung (z. B. automatische Unterscheidung zwischen 35 W-Hochdruckentladungslampe-, 200 mA-, 350 mA-, 700 mA-, und 1 A-Leuchtdiodenlampen bzw. Leuchtdiodenmodulen) ohne zusätzliche Kommunikationseinrichtungen (drahtgebunden oder drahtlos) in dem elektronischen Betriebsgerät und Lampe bzw. Lampen (die Information über die Lampe wird vom elektronische Betriebsgerät über die „Power-Line” detektiert).
B) Reduktion der Typenvielfalt an elektronischen Betriebsgeräten und an Kabeln: Eine Reduktion der Typen an elektronischen Betriebsgeräten erfolgt, da das erfindungsgemäße elektronische Hybrid-Betriebsgerät eine Type Hochdruckentladungslampen und mehrere Leuchtdiodenlampen betreiben kann. Eine Reduktion an Verbindungskabel-Typen erfolgt, da die Hochdruckentladungslampe und unterschiedliche Leuchtdiodenlampen, auch als Leuchtdiodenmodule bezeichnet, die gleichen Stecker besitzen und das gleiche Lampen-Kabel verwendet werden kann.
C) Reduzierter Lageraufwand bei den Herstellern der Komponenten wie Leuchtdiodenmodulen, Hochdruckentladungslampen und elektronischen Betriebsgeräten sowie bei deren Kunden beispielsweise den Scheinwerferherstellern und Automobilherstellern, im Fall einer Anwendung im Kraftfahrzeug.
D) Reduzierter Kommissionierungsaufwand bzw. erhöhte Flexibilität beim Endkunden/OEM da nur noch ein elektronisches Betriebsgerät und nur noch ein Kabel für unterschiedliche Lampen verwendet. Der Kunde entscheidet anhand der Lampe bzw. dem Leuchtdiodenmodul wie sein Produkt z. B. sein Scheinwerfer ausgestattet ist. Anschließend muss er sich nicht mehr (wie bisher) beim Kabel und beim elektronische Betriebsgerät um das passende Teil kümmern, sondern verwendet immer das Gleiche.
E) Nur minimaler Änderungsaufwand an den bestehenden Komponenten nötig: Keine Änderungen an Hochdruckentladungslampen nötig. Nur Software-Anpassung an elektronischem Betriebsgerät (keine Hardware-Änderungen) erforderlich um aus einem elektronischen Hochdruckentladungslampen-Betriebsgerät ein elektronisches Hybrid-Betriebsgerät zu machen, das sowohl Hochdruckentladungslampen als auch Leuchtdiodenmodule betrieben kann. Geringe Hardware-Änderungen sind an Leuchtdiodenlampen erforderlich, insbesondere an solchen, die bisher lediglich aus einer Reihenschaltung von Leuchtdioden oder einer Reihen-Parallelschaltung von Leuchtdioden – teilweise auch als Leuchtdioden-Array bezeichnet – sowie einer hierzu parallel geschalteten Schutzdiode gegen elektrostatische Entladungen bestanden.

Aufgrund der angeführten Vorteile ist insbesondere eine Anwendung in der Automobil- und der Allgemeinbeleuchtung von besonderes hohem Nutzen, was jedoch eine Nutzung in anderen Anwendungen nicht ausschließt.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zum alternativen Betreiben entweder einer Hochdruckentladungslampe oder mindestens eines Halbleiterlichtquellenmoduls ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
1 eine Schaltungsanordnung aus elektronischem Betriebsgerät, Leuchtdiodenlampe und Hochdruckentladungslampe mit Zünder für die Anwendung im Automobil gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 eine Schaltungsanordnung aus elektronischem Betriebsgerät, Leuchtdiodenlampe und Hochdruckentladungslampe mit Zünder für die Anwendung im Automobil gemäß einer zweiten Ausführungsform,
3a ein Ablaufdiagramm des Hauptprogramms für die erste Option der ersten Ausführungsform,
3b ein Ablaufdiagramm des Unterprogramms „HID-Betrieb” für die erste und die zweite Option der ersten Ausführungsform,
3c ein Ablaufdiagramm des Unterprogramms „LED-Betrieb” für die erste Option der ersten Ausführungsform,
3d ein Ablaufdiagramm des Unterprogramms „Detektiere LED-Lampen-Typ” für die erste und zweite Option der ersten Ausführungsform in der Ausführung mit Hochpass,
3d-1 den Ersten Teil des Ablaufdiagrammes des Unterprogramms „Detektiere LED-Lampen-Typ” für die erste und zweite Option der ersten Ausführungsform in der Ausführung mit Bandpass,
3d-2 den Zweiten Teil des Ablaufdiagrammes des Unterprogramms „Detektiere LED-Lampen-Typ” für die erste und zweite Option der ersten Ausführungsform in der Ausführung mit Bandpass,
4 ein Ablaufdiagramm des Hauptprogramms für die zweite Option der ersten Ausführungsform,
5-1 den Ersten Teil des Ablaufdiagrammes des Hauptprogramms der zweiten Ausführungsform,
5-2 den Zweiten Teil des Ablaufdiagrammes des Hauptprogramms der zweiten Ausführungsform.
Zur leichteren Lesbarkeit sind Kommentare und Erläuterungen in den Programmablaufplänen (3a bis 5-2) enthalten, die durch eckige Klammern gekennzeichnet sind.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Im Folgenden wird zwischen zwei (Anschluss-)Optionen unterschieden. Die Entscheidung welche der beiden Optionen verwendet werden soll wird während der Entwicklung des Beleuchtungssystems festgelegt. Die Option eins beschreibt ein elektronisches Betriebsgerät an das eine Lampe angeschlossen wird. Die Lampe kann dabei erfindungsgemäß eine Hochdruckentladungslampe oder mindestens eine Leuchtdiodenlampe, auch als Leuchtdiodenmodul bezeichnet, sein. Erfindungsgemäß sind eine automatische Erkennung der angeschlossenen Lampe und deren ordnungemäßer Betrieb möglich. Die Option zwei beschreibt den parallelen Anschluss von mindestens zwei Lampen, wobei eine Lampe eine Hochdruckentladungslampe ist. Erfindungsgemäß ist im Fall der Option zwei eine Umschaltung zwischen dem ordnungsgemäßen Betrieb einer der angeschlossenen Lampen-Typen ohne Einschränkung möglich, nicht jedoch ein gleichzeitiger, d. h. simultaner Betrieb beider angeschlossener Lampen-Typen. Mittels einer Benutzerauswahl beispielsweise per Schalter oder Kommunikationsschnittstelle wie etwa einer Steuerleitung – teilweise als Remote-Enable-Leitung bezeichnet –, LIN-Bus, DMX oder DALI zu einem übergeordneten Steuerungssystem wird die zu betreibenden Lampe bzw. der zu betreibende Lampen-Typ (im Fall mehrerer angeschlossener Leuchtdiodenmodule) festgelegt. Erfindungsgemäß besitzen alle Lampen, d. h. sowohl die Hochdruckentladungslampen als auch die Leuchtdiodenlampen welche am elektronischen Betriebsgerät betrieben werden können, den gleichen Stecker. Dies gilt ebenso für den ausgangsseitigen Stecker des elektronischen Betriebsgerätes. Im Fall der nachfolgend beschriebenen Ausführungen wurde ein 3-poliger Stecker gewählt, der die Kontakte K1, K2 und K3 aufweist. Wie eingangs erwähnt reduziert dies die Komplexität, was unter anderem zu einer Reduktion der Typenvielfalt und der Lagerkosten führt, da beispielsweise nur ein Lampen-Kabel (2) vorgehalten werden muss.
Zunächst wird nun die erste Schaltungsanordnung und ein Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben, welche sowohl die erste als auch die zweite (Anschluss-)Option ermöglicht. Um beide Arten von Leuchtmitteln am gleichen elektronischen Betriebsgerät betreiben zu können, und zudem eine automatische Erkennung des Leuchtmittels zu ermöglichen, werden die Leuchtdioden in einem Leuchtdiodenermöglichen, werden die Leuchtdioden in einem Leuchtdiodenmodul, auch als Leuchtdiodenlampe bezeichnet, angeordnet, welches neben den Leuchtdioden ein frequenzselektives Filter (Hochpass oder Bandpass) und einen Gleichrichter aufweist. Vorteilhafterweise ist der Gleichrichter mittels Schottky-Dioden ausgeführt um die Verluste im Gleichrichter aufgrund der geringen Flussspannung der Schottky-Dioden im Vergleich zu herkömmlichen pn-Silizium-Dioden gering zu halten. Zudem kann ein Kondensator parallel zu den Leuchtdioden verwendet werden um eine besonders geringe Welligkeit des Leuchtdiodenstroms und damit eine besonders hohe Lichtausbeute der Leuchtdioden zu erreichen.
Im Gegensatz zur später beschriebenen zweiten Schaltungsanordnung ermöglicht die erste Schaltungsanordnung anstelle einer einzigen Leuchtdiodenlampe mehrere Leuchtdiodenlampen des gleichen Typs parallel an einem elektronischen Betriebsgerät zu betreiben, da die frequenzselektiven Filter in den Leuchtdiodenlampen eine gleichmäßige Aufteilung des vom elektronischen Betriebsgerät bereitgestellten Stromes bewirken.
Die Hochdruckentladungslampen werden mit einem niederfrequenten Rechteckstrom betrieben, was auch ,wackelnder Gleichstrombetrieb' genannt wird. Dabei wird ein im Wesentlichen rechteckförmiger Strom mit einer Frequenz von üblicherweise 50 Hz bis zu 5 kHz an die Lampe angelegt. Bei jedem Umschwingen zwischen positiver und negativer Spannung kommutiert die Lampe, da sich auch die Stromrichtung umkehrt und der Strom damit kurzzeitig zu null wird. Dieser Betrieb stellt sicher, dass die Elektroden der Lampe trotz eines Quasi-Gleichstrombetriebs gleichmäßig belastet werden.
Die Betriebsfrequenz des erzeugten Ausgangsstroms wird für den Leuchtdiodenbetrieb so gewählt, dass diese oberhalb der Frequenz liegt, welche für den Betrieb der Hochdruckentladungslampe verwendet wird (typ. oberhalb des oben genannten Frequenzbereiches). Die Betriebsfrequenz kann z. B. oberhalb der Frequenz der menschlichen Hörgrenze von 20 kHz gewählt werden um akustische Beeinträchtigungen zu vermeiden. Die charakteristische(n) Frequenz(en) des Filters werden entsprechend so gewählt, dass sie mit der gewünschten Betriebsfrequenz korrespondiert bzw. korrespondieren. Im Prinzip kann die Betriebsfrequenz der Leuchtdiodenmodule zwischen 5 kHz und etwa 300 kHz liegen. Die obere Frequenz von 300 kHz ergibt sich aus Betrachtungen des Wirkungsgrades des elektronischen Betriebsgerätes wie auch des Leuchtdiodenmoduls. Eine weitere Frequenzerhöhung ist zwar prinzipiell möglich, jedoch reduziert sich dann aufgrund nicht-idealer Eigenschaften der verwendeten Komponenten im elektronischen Betriebsgerät wie auch im Leuchtdiodenmodul sowie dem Verbindungskabel der Wirkungsgrad signifikant. Diese frequenzabhängigen nicht-idealen Eigenschaften können durch zusätzliche parasitäre Bauelemente modelliert werden, hierauf soll jedoch nicht weiter eingegangen werden, da eine Begrenzung der maximalen Ausgangsfrequenz des elektronischen Betriebsgerätes auf 300 kHz vorgenommen wird und somit diese potenziellen Probleme vermieden werden.
1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung aus elektronischem Betriebsgerät, Leuchtdiodenlampe und Hochdruckentladungslampe mit Zünder für die Anwendung im Automobil wobei die Leuchtdiodenlampe einen Bandpass bestehend aus der Drossel Lf und dem Kondensator Cf enthält. Das elektronische Betriebsgerät basierend auf einem Sperrwandler, einem Vollbrückenwechselrichter und einer Steuerschaltung (21), wird über ein Kabel in Form eines Y sowohl mit der Leuchtdiodenlampe und/oder mit der Hochdruckentladungslampe mit Zünder verbunden. Diese elektrische Parallelschaltung der beiden „Lasten”, d. h. der Leuchtdiodenlampe als auch der Hochdruckentladungslampe mit Zünder, könnte anstelle des Y-Kabels alternativ auch durch zwei Kabel erfolgen, wobei entweder das elektronische Betriebsgerät oder eine der beiden „Lasten” zwei Buchsen für die Aufnahme von zwei Steckern aufweisen würde. Eine Ausführung mittels Y-Kabel erscheint jedoch in den allermeisten Anwendungsfällen als die vorteilhafteste Ausführung, da sie sehr kompakt und mit der geringsten Anzahl an Steckern und Buchsen auskommt. Die Kapazität des Kondensators Cf kann dabei in zwei Kapazitäten aufgeteilt werden (zusätzlicher Kondensator Cf2), was ein beliebiges Bezugspotenzial der Serienschaltung der Leuchtdioden ermöglicht. Diese Aufteilung kann insbesondere für die Kühlung der Leuchtdioden von besonderem Vorteil sein, da sich dann die Leuchtdiodenkette auf einem beliebigen Potenzial befinden kann, und dieses beispielsweise als Masse (z. B. einem Kühlkörper) gewählt werden kann (was üblicherweise eine sehr gute thermische Anbindung ermöglicht).
Die Dioden D11, D12, D21 und D22 bilden einen Brückengleichrichter der den Leuchtdiodenmodul zugeführten Strom unabhängig von seiner Polarität so durch die Leuchtdioden fließen lässt, so dass die Leuchtdioden Licht emittieren. Der Glättungskondensator C3 reduziert Schwankungen in der Stromstärke durch die Leuchtdioden, was zu einer gleichmäßigeren und effizienteren Lichterzeugung in den Leuchtdioden führt.
Wie Eingangs bereits beschrieben, besitzen eine Hochdruckentladungslampe vor der Zündung und eine Leuchtdiode ein signifikant unterschiedliches elektrisches Verhalten. Während die Hochdruckentladungslampe im Wesentlichen für Ströme beliebiger Polarität und Frequenz einen sehr hohen Widerstand darstellt, besitzt eine Leuchtdiode einen geringeren Widerstand. Dieser Unterschied im elektrischen Verhalten wird nach dem Einschalten des elektronischen Betriebsgeräts zur Lampenerkennung genutzt. Während dieser Zeit taktet der Transistor Q1 des Sperrwandlers um Energie vom Eingang zum Ausgang des elektronischen Betriebsgerätes zu übertragen. Die Spannung am Widerstand R2 des Spannungsteilers R1, R2 ist ein Maß für die Amplitude der am Ausgang des elektronischen Betriebsgerätes erzeugten Wechselspannung. Diese Wechselspannung wird durch die Ansteuerung der Vollbrücken-Transistoren Q11, Q12, Q21 und Q22 aus der am Kondensator Cout1 anstehenden Gleichspannung erzeugt. Der Ausgangsstrom wird mittels des Shunt-Widerstandes RS von der Steuerschaltung (21) beobachtet.
Wie eingangs beschrieben wird zum Betrieb der Hochdruckentladungslampe eine kaskadierte Regelung – auch als Kaskadenregelung bezeichnet – verwendet, wobei die Regler Teil der Steuerschaltung (21) sind. Die Aufgabe des inneren Regelkreises besteht darin den mittels Shunt-Widerstandes RS gemessenen Ausgangsstrom gleich dem Soll-Strom I_soll einzustellen. Der äußere Regelkreis hat die Aufgabe die Lampenleistung, welche durch Messung der Ausgangsstromes und der Amplitude der Ausgangsspannung – mittels des Spannungsteilers R1, R2 – sowie nachfolgender Multiplikation ermittelt wird, gleich der vorgegebenen Lampennennleistung z. B. 35 W einzustellen. Die Reglerausgangsgröße des Leistungsreglers ist der Soll-Strom I_soll. I_soll ist zugleich die Sollgröße des Stromreglers, der abhängig vom gemessen Ausgangsstrom seine Reglerausgangsgröße, die Pulsweite des primärseitiger Leistungsschalter Q1, variiert. Um zu hohe Spannungen auf der Ausgangsseite zu vermeiden wird das von einem Pulsweitenmodulator erzeugte Ansteuersignal für den Leistungsschalter Q1 mit dem Ausgangssignal eines Komparators, der die Ausgangsspannung mit der maximal zulässigen Ausgangsspannung U_max vergleicht, UND-verknüpft. Sobald die gemessene Ausgangsspannung die Spannung U_max erreicht, wird jede Ansteuerung des Leistungsschalters Q1 unterdrückt, völlig ungeachtet der Reglerausgangsgröße des Stromreglers. Die beschriebene Regel- und Logikschaltung kann sowohl in Hardware als auch in Software ausgeführt sein. Im Folgenden wird jedoch eine vollständig digitale Realisierung der Regelung wie auch der Logikschaltung in einem Mikrocontroller mit DSP-Kern (Digital Signal Processing Kern) beschrieben.
Der Vorteil der beschriebenen vollständig digitalen Realisierung liegt darin, dass beim nachfolgend beschriebenen Betrieb von Leuchtdiodenlampen keinerlei Änderungen an der Hardware vorgenommen werden müssen, bzw. keinerlei zusätzliche Hardware (wie etwa Analog-Multiplexer, etc.) zum Betrieb beider Lampenarten erforderlich ist.
Zum Betrieb einer Leuchtdiodenlampe wird prinzipiell die oben beschriebene Regler- und Logikstruktur wie für den Betrieb verwendet der Hochdruckentladungslampe, allerdings wird in der Software der äußere Regelkreis deaktiviert und der Wert I_soll konstant und gleich dem Leuchtdiodenlampen-Nennstrom gehalten. Dies bedeutet, dass ungeachtet von der tatsächlichen Ausgangsleistung des elektronischen Betriebsgerätes der Nennstrom der Leuchtdiodenlampe am Ausgang eingeprägt wird, sofern die Amplitude der Ausgangsspannung kleiner als U_max ist.
Der genaue Ablauf der Lampenerkennung für die Ausführung mit Bandpass ist in 3d-1 und 3d-2 beschrieben.
Der Ablauf sieht im Wesentlichen wie folgt aus: Es wird eine Rechteckspannung von maximal 110 V mit variabler Frequenz am Ausgang des elektronischen Betriebsgerätes (zwischen den Klemmen K1 und K2) erzeugt. Die in der Steuerschaltung 21 enthaltene Strom- als auch Spannungsregelung begrenzen sowohl den Ausgangsstrom – in diesem Fall auf 200 mA – wie auch die Ausgangsspannung – wie bereits erwähnt auf 110 V. Es wird mit der maximalen Frequenz von 30 kHz gestartet und die Frequenz sukzessive reduziert. Hierbei wird nun solange die Frequenz schrittweise reduziert, bis nicht mehr der Spannungs- sondern der Stromregler im Eingriff ist und dann anhand der Frequenz unterschieden welcher Typ der eine oder mehrere parallel geschaltete Leuchtdiodenlampen an dem elektronische Betriebsgerät angeschlossen sind. Erreicht die Frequenz die untere Grenze von 18 kHz bevor der Stromregler in Eingriff kommt, kann keine Leuchtdiodenlampe angeschlossen sein.
Wird in der Leuchtdiodenlampe keine Induktivität Lf vorgesehen, geht die Bandpass-Schaltung in der Leuchtdioden-Lampe in eine Hochpass-Schaltung über. Nachdem auch ein Hochpass ein frequenzselektives Verhalten aufweist, ermöglicht auch diese Konfiguration die volle Funktionalität, inklusiver der weiter unten beschriebenen beiden Optionen. Anstelle der Resonanzfrequenz des Bandpasses gibt im Fall des Hochpasses die Eckfrequenz Aufschluss über dessen frequenzabhängiges Verhalten.
Die 3d beschreibt einen vereinfachten Ablauf für die Ausführung mit Hochpass, bei dem keine Unterscheidung zwischen verschiedenen Typen von Leuchtdiodenlampen vorgenommen wird. Es wird davon ausgegangen, dass nur eine Type von Leuchtdiodenlampen mit einen nominellen Betriebsstrom von 700 mA und einer maximalen Flussspannung von deutlich unter 100 V verwendet wird. Es wird daher lediglich eine Rechteckspannung von maximal 100 V mit einer Frequenz von 22 kHz am Ausgang (zwischen den Klemmen K1 und K2) des elektronischen Betriebsgerätes erzeugt. Der Kondensator Cf des Hochpasses ist dabei so dimensioniert worden, dass er für die Grundschwingung der erzeugten Rechteckspannung von 22 kHz nur einen geringen Blindwiderstand aufweist. Im beschriebenen Fall wurde der Kondensator zu 470 nF gewählt, was beim nominellen Betriebsstrom nur zu einem Spannungsabfall der Grundschwingung von kleiner einem Fünftel der zur Verfügung stehenden Amplitude der Rechteckspannung von 100 V führt. Die in der Steuerschaltung 21 enthaltene Strom- als auch Spannungsregelung begrenzen sowohl den Ausgangsstrom – in diesem Fall auf 700 mA – wie auch die Ausgangsspannung – wie bereits erwähnt auf 100 V – und abhängig davon welcher der beiden Regler tatsächlich im Eingriff ist, kann entschieden werden ob eine Hochdruckentladungslampe oder eine oder mehrere parallel geschaltete Leuchtdiodenlampen an das elektronische Betriebsgerät angeschlossen sind.
Die Verwendung eines Bandpasses hat jedoch gegenüber dem Hochpass den Vorteil, dass beim parallelen Anschluss von Hochdruckentladungslampen- und Leuchtdiodenmodul die Kommutierungssteilheit des elektronische Betriebsgeräts welches insbesondere im Hochdruckentladungslampenbetrieb hoch sein sollte, nicht nennenswert negativ beeinflusst wird. Darüber hinaus ermöglicht der Serienschwingkreis des Bandpasses eine ZVS-Schaltentlastung (zero voltage switching, nullspannungsschaltender Betrieb) der Vollbrücke, was einen besonders verlustarmen Betrieb der Vollbrücke ermöglicht. Dies wird Vorteilhafterweise durch einen sogenannten überresonanten Betrieb der Vollbrücke ermöglicht, dass heißt, die Betriebsfrequenz der Vollbrücke ist größer als die sich aus Lf, Cf und Cf2 ergebende Resonanzfrequenz. Die Betriebsfrequenz sollte einen hinreichenden Abstand von der Resonanzfrequenz haben, um sehr hohe Spannungen über Lf, Cf und Cf2 und üblicherweise hohe Verlustleistungen im Resonanzkreis im Resonanzfall zu vermeiden. Durch unterschiedliche Wahl der Bauteilwerte des Bandpasses lassen sich unterschiedliche Resonanzfrequenzen einstellen die im Folgenden zur Kodierung unterschiedlicher Leuchtdiodenmodul-Typen verwendet werden.
Wie Eingangs bereits beschrieben wird der Widerstand der Lampe abhängig von der Ausgangsfrequenz des elektronischen Betriebsgerätes insbesondere beim Einschalten des elektronischen Betriebsgerätes zur Erkennung der angeschlossenen Lampe genutzt. Während dieser Zeit taktet der Wandlertransistor Q1 des Sperrwandlers um Energie vom Eingang zum Ausgang des elektronischen Betriebsgerätes zu übertragen während die Ausgangsspannung mittels des Spannungsteilers R1, R2 und der Ausgangsstrom mittels des Shunt-Widerstandes RS von der Steuerschaltung (21) beobachtet wird.
Die nachfolgend dargestellten ersten und zweiten Optionen unterscheiden sich bezüglich der Software im elektronischen Betriebsgerät, nicht jedoch in der Hardware. Das elektronische Betriebsgerät ist hierbei vorzugsweise als digitales Betriebsgerät mit einem Mikrocontroller in der Steuerschaltung (21) ausgestattet. Die erste und zweite Option unterscheiden sich nun hinsichtlich der auf dem Mikrocontroller laufenden Software, welche oftmals als Firmware bezeichnet wird. Die Regelung der Hochdruckentladungslampenleistung erfolgt wie bei einem herkömmlichen elektronischen Betriebsgerät durch die Regelung des Tastgrades (Duty Cycles) des Transistors Q1 (pulsweitenmodulierter Sperrwandler mit konstanter Schaltfrequenz). Auch andere Modulationsverfahren des Sperrwandlers sind möglich, sollen aus Gründen der Übersichtlichkeit hier jedoch nicht näher betrachtet werden.
Wird ein Leuchtdiodenmodul betrieben, ist bezüglich der Regelung zwischen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit Hochpass und der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit Bandpass zu unterscheiden:
Im Fall des Bandpasses sind zwei Regelkreise aktiv: Der Sperrwandler wird durch Variation des Tastverhältnisses des Transistors Q1 so betrieben, dass die Zwischenkreisspannung, welche näherungsweise dem Betrag der Ausgangsspannung des elektronischen Betriebsgerätes entspricht, gleich Umax gehalten wird. Der Leuchtdiodenstrom wird durch die Variation der Vollbrückenfrequenz eingestellt. Nachdem der überresonante Betrieb erfolgt, d. h. die Vollbrückenfrequenz oberhalb der Resonanzfrequenz des Schwingkreises aus Lf und Cf gewählt wird, führt eine Reduktion der Vollbrückenfrequenz zu einer Erhöhung des Leuchtdiodenstroms, wohingegen eine Erhöhung der Brückenfrequenz eine Reduktion des Ausgangs- beziehungsweise Leuchtdiodenstromes zur Folge hat.
Im Fall des Hochpasses erfolgt wie bei der Hochdruckentladungslampe die Leistungsregelung durch die Variation des Tastgrades von Q1, wohingegen die Frequenz der Vollbrücke während des Betriebes konstant gehalten wird. Soll der Ausgangsstrom vergrößert werden, ist auch der Tastgrad zu vergrößern. Die eingestellte maximale Ausgangsspannung hat nur Schutzfunktion und führt zu einer Begrenzung der Ausgangsspannung auf den entsprechenden Wert.
Im Folgenden werden die beiden verschiedenen Optionen der Verwendung der erfindungsgemäße Schaltungsanordnung näher betrachtet:
Option 1: Anschluss eines der beiden Leuchtmittel
Die 3a bis 3d-2 zeigen die Programmablaufpläne unter anderem zur Option 1. Nach dem Einschalten des elektronischen Betriebsgeräts wird zunächst überprüft ob zuletzt eine Hochdruckentladungslampe- oder ein Leuchtdiodenmodul betrieben wurde. Es wird zunächst davon ausgegangen, dass sich die Lampe nicht geändert hat. Sollte eine andere Lampe angeschlossen sein (statt Hochdruckentladungslampe Leuchtdiode oder umgekehrt), so wird dies detektiert und der Betrieb abgebrochen und versucht anschließend die andere Lampenart zu betreiben.
Im Hochdruckentladungslampenbetrieb muss zunächst die Zündung der Hochdruckentladungslampe initiiert werden und diese anschließend betrieben werden. 3b zeigt das zugehörige Ablaufdiagramm des Unterprogramms „HID-Betrieb”. Hierzu wird nach dem Start die Vollbrücke so initialisiert, dass ein Laden des Zündkondensators Cig möglich ist. Zudem werden nach dem Start des Hauptprogrammes die Sollwerte der Spannungs- und der Stromregelung vorgegeben. Wie in 3b dargestellt, wird der Regelsollwert Umax der Spannungsregelung gleich 400 V gesetzt, was der maximal zulässigen Ausgangsspannung des Spannungswandlers entspricht. Diese hohe Spannung gewährleistet eine gute Übernahme der Hochdruckentladungslampen direkt nach dem Durchbruch der Entladung. Die Ausgangsspannung des Spannungswandlers, welche die Zwischenkreisspannung des zweistufigen Betriebsgerätes ist, entspricht in sehr guter Näherung der Amplitude der Ausgangsspannung des elektronischen Betriebsgerätes, nachdem die Spannungsverluste in der Vollbrücke vernachlässigbar klein sind. Aus diesem Grund wird vorteilhafter Weise anstelle einer aufwendigen Messung der Amplitude der Ausgangsspannung des elektronischen Betriebsgerätes die Zwischenkreisspannung gemessen und als entsprechende Regelgröße verwendet. Der Sollwert für die Stromregelung wird zum selben Zeitpunkt auf den Anlaufstrom der Hochdruckgasentladungslampe von beispielsweise 2,5 A gesetzt (in 3b nicht dargestellt). Anschließend wird der Spannungswandler eingeschaltet. Während der ersten 100 ms nach dem Start des Spannungswandlers wird eine Zündung der Hochdruckentladungslampe erwartet, was anhand des Zusammenbrechens der Ausgangsspannung zwischen den Klemmen K1 und K2 detektiert wird. Wir kein solches Zusammenbrechen der Ausgangsspannung festgestellt, wird der Spannungswandler wieder abgeschaltet und das entsprechende Unterprogramm verlassen.
Zur Zündung der Hochdruckentladungslampe wird wie bereits erwähnt ein hoher Sollwert für die Ausgangsspannung, etwa die erwähnten 400 V am Kondensator Cout1, und entsprechend zwischen den Kontakten K1 und K2 vorgegeben. Entsprechend dem Windungsverhältnis des Transformators Tr des Spannungswandlers ergibt sich am Kondensator Cout2 eine entsprechende Spannung. Die Spannungen an Cout1 und Cout2 laden über den Ladewiderstand Rout und den geschlossenen Transistor Q22 den Zündkondensator Cig. Übersteigt dessen Spannung die Auslösespannung der Funkenstrecke SG so wird diese kurzzeitig niederohmig was aufgrund des Windungsverhältnisses des Zündtransformators Tig zur Erzeugung eines Hochspannungsimpulses von typischerweise 30 kV zur Folge hat, der zum Durchbruch und damit zur Zündung der Hochdruckentladungslampe La führt. Der Spannungsbegrenzer TVS hat dabei eine Schutzfunktion, welche das elektronische Betriebsgerät vor Hochspannungsimpulsen des Zünders schützt. Um einen ordnungsgemäßen Betrieb sicherzustellen, besitzt der Spannungsbegrenzer TVS eine Auslösespannung von beispielsweise 550 V, die oberhalb der maximal zu erwartenden Ausgangsspannung an den Kontakten K1 und K2 liegt.
Nach erfolgter Zündung und dem Durchlaufen der DC-Phasen (Gleichstrombetrieb der Lampe für einige zehn bis einige hundert Millisekunden und anschließender Polaritätswechsel des Lampenstromes und erneuter Gleichstrombetrieb für einige zehn bis einige hundert Millisekunden, wobei diese Sequenz mehrfach wiederholt werden kann) wird die Hochdruckentladungslampe mit niederfrequentem (50 Hz bis 5 kHz), rechteckförmigem Strom betrieben, wobei eine unterlagerte Stromregelung (die oben für die Regelung des Leuchtdiodenstroms verwendet wurde) aktiv ist. Diese Regelung bekommt ihren Soll-Stromwert von einer übergeordneten Leistungsregelung, die sicherstellt, dass die Lampe unabhängig von ihrer Brennspannung mit Nennleistung (Sollwert des äußeren Regelkreises) betrieben wird. Im Fall des Leuchtdiodenbetriebs wird als Nennleistung die max. zulässige Leuchtdiodenleistung vorgegeben, so dass der äußere Regelkreis de facto außer Betrieb ist und nur im Fehlerfall eine Schutzfunktion übernimmt. Aufgrund dieses Sachverhalts sowie der Tatsache, dass zumindest die Steuerung und die äußere Regelschleife (Leistungsregelung) in einem Mikrocontroller abgebildet ist, können mit der gleichen Schaltungsanordnung und der gleichen Software beide Leuchtmittel betrieben werden. Im Vergleich zu einem herkömmlichen elektronischen Betriebsgerät sind lediglich einige Zeilen Softwarecode zu ergänzen.
Das elektronische Betriebsgerät bleibt im Hochdruckentladungslampen- oder Leuchtdiodenmodus bis zum nächsten Unterbrechen der Stromversorgung. Eine Beeinflussung des elektronischen Betriebsgerätes mittels eines Dimm-Eingangs oder eines Remote-Enable-Eingangs, der die Lichtabgabe ändert bzw. gänzlich abschaltet, ist möglich.
Option 2: Zeitgleicher, paralleler Anschluss von Hochdruckentladungslampe und Leuchtdiodenmodul am Ausgang des elektronischen Betriebsgerätes.
Der zeitgleiche, parallele Anschluss einer Hochdruckentladungslampe und eines Leuchtdiodenmoduls am Ausgang des elektronischen Betriebsgerätes ermöglicht eine sehr ökonomische Nutzung des elektronischen Betriebsgerätes z. B. für das Abblendlicht (z. B. mittels Leuchtdioden) und das Fernlicht (z. B. mittels Hochdruckentladungslampe) in einem Automobil.
Die 1 zeigt die Option 2 (bei Option 1 ist entweder das Leuchtdiodenmodul oder die Hochdruckentladungslampe an das elektronische Betriebsgerät angeschlossen). Abhängig von der Wahl des Benutzers, welche z. B. per Steuer-Leitung oder per LIN-Schnittstelle dem elektronischen Betriebsgerät mitgeteilt wird (nicht dargestellt), wird ein Leuchtmittel ausgewählt. Das Ablaufdiagramm des Hauptprogramms zeigt die 4. Ist eine der beiden angeschlossenen Lampen defekt oder nicht vorhanden, so wird, wie dem Ablaufdiagramm in 4 entnommen werden kann, unabhängig von der Wahl des Benutzers die andere betrieben, was zu einer erhöhten Sicherheit in der Anwendung führt. Im Fall eines Kommunikationsbusses wird der Defekt einer Lampe an das übergeordnete Management-System mitgeteilt.
Die Schaltungsanordnung gemäß der ersten Ausführungsform erlaubt den Wechsel zwischen den angeschlossenen Lampen während dessen Betriebes. Der Übersichtlichkeit wegen ist diese Möglichkeit jedoch in 4 nicht dargestellt. Sowohl während des Betriebes des Leuchtdiodenmoduls als auch der Hochdruckentladungslampe wird von der Steuerschaltung ständig die Lampen-Wahl des Benutzers überprüft und sollte diese sich ändern, so wird zur anderen Lampe umgeschaltet. Dies ermöglicht dem Nutzer eine Umschaltung bzw. der Wechsel von der Hochdruckentladungslampe zum Leuchtdiodenmodul oder von dem Leuchtdiodenmodul zur Hochdruckentladungslampe während bereits eine der beiden Lampen in Betrieb ist.
Wird von der Hochdruckentladungslampe auf das Leuchtdiodenmodul umgeschaltet, wird zuvor der Wandler ausgeschaltet und gewartet bis die Entladung erlischt, d. h. der Ausgangsstrom null wird. Anschließend werden die neuen Sollwerte gesetzt, die Frequenz der Halb- oder Vollbrücke entsprechend erhöht und dann der (Sperr- oder Flyback-)Wandler wieder angesteuert.
Bei der Umschaltung vom Leuchtdiodenmodul auf die Hochdruckentladungslampe werden zunächst die Sollwerte auf Null gesetzt, dann die (Voll-)Brückenfrequenz zunächst für die Zündung abgeschaltet und anschließend wie oben beschrieben die Hochdruckentladungslampe gestartet.
Mittels einer digitalen Schnittstelle am elektronischen Betriebsgerät z. B. einer DALI-Schnittstelle ist eine Adressierung des elektronischen Betriebsgerätes sowie die Auswahl der Lichtquellen, z. B. bei einem Gerät mit zwei Ausgängen eine erste Hochdruckentladungslampe, eine zweite Hochdruckentladungslampe, ein erstes Leuchtdiodenmodul oder ein zweites Leuchtdiodenmodul, möglich. Die zugehörigen Dimmstellungen können dazu ebenfalls gewählt werden.
Mittels der digitalen Schnittstelle kann eine Programmierung im Werk oder beim Kunden (Lampentyp bzw. Nennstrom und Abschaltschwellen z. B. min. und max. Lampenspannung, Leuchtdiode-Nennstrom, etc.) erfolgen, so dass ein sehr flexibles Produkt möglich ist. Die Programmierung kann alternativ auch über die Eingangs- bzw. Netzklemmen oder die Ausgangsklemmen (Last-Modulation) erfolgen.
Wählt man die Option 1 der ersten Ausführungsform, bei der man sich darauf einschränkt, dass zu jedem Zeitpunkt entweder mindestens ein Leuchtdiodenmodul oder eine Hochdruckentladungslampe an das elektronische Betriebsgerät angeschlossen wird, so muss nicht bei jedem Start untersucht werden welcher Lampentyp angeschlossen ist. Analog zu dem in 3a dargestellten Ablauf, wird diese zunächst davon ausgegangen, dass noch immer die gleiche Lampe wie beim letzten Mal angeschlossen ist. Diese Information ist im HID-Bit abgespeichert und wird beim Start abgefragt. Erst wenn der Lampen-Betrieb innerhalb der Unterprogramme HID-Betrieb oder LED-Betrieb fehlschlägt, wird das HID-Bit invertiert und versucht den anderen Lampentyp zu betreiben. Die Details des Unterprogramms LED-Betrieb die erste Option der ersten Ausführungsform sind in 3c dargestellt.
Im Folgenden wird die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung beschrieben, die softwareseitig nur die Option 1 ermöglicht.
Die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist in 2 dargestellt. Um bildlich darzustellen, dass nur eine Lampe angeschlossen werden kann (nur Option 1 möglich) wurde ein Umschalter S in der 2 dargestellt, der allpolig zwischen den beiden Lampen (3) und (4) umschaltet. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass in den Mikrocontroller der Steuerschaltung (21) eine andere Software bzw. Firmware programmiert wurde und das Leuchtdiodenmodul anders aufgebaut ist. Das Leuchtdiodenmodul besitzt antiparallel zur Serienschaltung der Leuchtdioden eine Diode D1, die neben ihrer Funktion als Schutzeinrichtung gegen statische Überspannungen, eine Detektion durch das Vorschaltgerät ermöglicht. In Reihe zu D1 kann eine Zenerdiode D2 angeordnet sein. Durch unterschiedliche Zenerspannungen lassen sich unterschiedliche Leuchtdiodenmodultypen voneinander unterscheiden. Die Zenerspannung wird folglich analog zur Resonanz- oder Eckfrequenz der ersten Ausführungsform zur Kodierung unterschiedlicher Leuchtdiodenmodul-Typen verwendet. Die nachfolgende Tabelle gibt eine beispielhafte Dimensionierung für fünf unterschiedliche Leuchtdiodenmodul-Typen an:

Typ Zenerspannung von D2 Inom Vnom

1 3,6 V 200 mA 24 V

2 7,5 V 350 mA 18 V

3 13 V 700 mA 28 V

4 18 V 700 mA 35 V

5 22 V 1000 mA 35 V
Die verwendeten Zenerdioden besitzen nominelle Zenerspannungen wie sie in der obigen Tabelle angegeben sind und ermöglichen trotz Bauteiltoleranzen eine sehr robuste Unterscheidung der unterschiedlichen Leuchtdiodenmodul-Typen. Die unter Inom und Vnom aufgeführten Werte sind die nominellen Werte von Vorwärtsstrom und Flussspannung des im Leuchtdiodenmodul verwendeten Leuchtdioden-Arrays bestehend aus in Serie verschalteten einzelnen Leuchtdioden. Alternativ zur Verwendung von Zenerdioden können andere spannungsbegrenzende Bauelemente, beispielsweise Varistoren, eingesetzt werden.
Aufgrund der Diode D1 des Leuchtdiodemoduls ist die Option 2, ein zeitgleicher, paralleler Anschluss von Hochdruckentladungslampe- und Leuchtdiodenmodul am elektronischen Betriebsgeräteausgang beispielsweise durch Verwendung eins „Y-Kabels” zwischen dem elektronischen Betriebsgerät und den Lampen nicht möglich.
Bei der Bemessung der Zenerspannung der Diode D2 während der Designphase, sollte man beachten, dass diese unterhalb der zulässigen Rückwärtsspannung der Leuchtdioden liegt. Geht man konservativ vor, so geht man davon aus, dass die Rückwärtsspannung der gesamten Leuchtdiodenkette nicht größer sein darf als die einer einzelnen Leuchtdiode in der Kette (typ. 30 V).
Bei der im Folgenden näher ausgeführten Implementierung ist zudem ist zu beachten, dass die Zenerdiode D2 wie auch die Diode D1 für den Anlaufstrom der Hochdruckentladungslampe-Lampe zu bemessen ist, allerdings nur für den Strom, nicht bzgl. der thermischen Auslegung, denn die Steuerschaltung 21 erkennt das Leuchtdiodenmodul und beendet dann diesen Betrieb umgehend. Möchte man D1 und D2 nicht für den Anlaufstrom bemessen, so dies durch eine Änderung der Software möglich, in diesem Fall wird entgegen der Beschreibung in den 5-1 und 5-2 zunächst nicht versucht die Hochdruckentladungslampe zu betreiben, sondern es wird zunächst geprüft ob eine Leuchtdiodenlampe angeschlossen ist. Letztes kann durch die Vorgabe eines geringen Stromes durch die Steuerschaltung 21 von der Klemme K1 (positiv) zur Klemme K2 (negativ) erfolgen. Während dieser sogenannte Prüfstrom vorgegeben wird, wird die sich einstellende Spannung zwischen den Klemmen K1 und K2 gemessen und zur Entscheidung herangezogen welches Leuchtdiodenmodul angeschlossen ist. Ist keine Begrenzung der Spannung messbar, kann nur eine Hochdruckentladungslampe oder überhaupt keine Lampe angeschlossen sein. In diesem Fall wird folglich versucht die Hochdruckentladungslampe zu betreiben.
Die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ermöglicht zwar keinen zeitgleichen, parallelen Anschluss von Hochdruckentladungslampe- und Leuchtdiodenmodul am Ausgang des elektronischen Betriebsgerätes wie die erste Ausführungsform, dafür ist sie im Vergleich zur ersten Ausführungsform der erfindungsgemäße Schaltungsanordnung energetisch effizienter, da keine Verluste im Gleichrichter sowie in den Bauteilen zur Realisierung des Hoch- bzw. Bandpasses auftreten und die Verluste in den Dioden D1 und D2 sind während des Betriebes des Leuchtdiodenmoduls vernachlässigbar, da die Diode D1 sperrt und daher kein nennenswerter Strom durch D1 und D2 fließt.
Sowohl in der ersten als auch in der zweiten Ausführungsform lassen sich die Leuchtdioden durch ein Verändern des Soll-Ausgangsstroms Dimmen (was sich letztlich in einer Veränderung des Tastverhältnisses des Schalters Q1 niederschlägt).
Die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ermöglicht zudem ein PWM-Dimmen der Leuchtdioden. Dies ist einfach möglich in dem die Vollbrücke gemäß dem PWM-Muster für die Dimmung entsprechend angesteuert wird: Mind. einer der Schalter Q11 und/oder Q12 ist periodisch zu öffnen und wieder zu schließen. Dabei wird der Tastgrad gleich der Dimmstellung – auch als Dimmverhältnis bezeichnet – gewählt, und mit folglich mit gewünschter Reduktion der Helligkeit der Leuchtdiodenlampe die Zeitdauer in der kein Ausgangsstrom vom elektronischen Betriebsgerät and die Leuchtdiodenlampe geliefert wird. Die Frequenz wird konstant zu z. B. 500 Hz gewählt. In Ausführungsform 2 können beide Arten des Dimmens (Verändern des Ausgangsstromes des elektronischen Betriebsgerätes wie auch des Tastgrades während dieser Ausgangsstrom bereitgestellt wird) auch kombiniert werden, z. B. für sehr kleine Dimmstellungen für sehr geringe Helligkeiten.
Die 5-1 und 5-2 stellen den Ablauf des Hauptprogramms der zweiten Ausführungsform dar. Zunächst wird angenommen, dass eine Hochdruckentladungslampen angeschlossen ist und versucht die zu Zünden und zu betreiben. Hierzu wird nach dem Start die Vollbrücke so initialisiert, dass ein Laden des Zündkondensators Cig möglich ist, wobei aufgrund der gewählten Polaritäten ein möglicher Stromfluss durch die Leuchtdioden einer möglicherweise angeschlossenen Leuchtdiodenlampe unterbleibt. Zudem werden nach dem Start des Hauptprogrammes die Sollwerte der Spannungs- und der Stromregelung vorgegeben. Wie in 5-1 dargestellt, wird der Regelsollwert Umax der Spannungsregelung gleich 400 V gesetzt, was der maximal zulässigen Ausgangsspannung des Spannungswandlers entspricht. Diese hohe Spannung gewährleistet eine gute Übernahme der Hochdruckentladungslampen direkt nach dem Durchbruch der Entladung. Der Sollwert für die Stromregelung wird zum selben Zeitpunkt auf den Anlaufstrom der Hochdruckgasentladungslampe von beispielsweise 2,5 A gesetzt (in 5-1 nicht dargestellt). Anschließend wird der Spannungswandler eingeschaltet. Während der ersten 100 ms nach dem Start des Spannungswandlers wird eine Zündung der Hochdruckentladungslampe erwartet, was anhand des Zusammenbrechens der Ausgangsspannung zwischen den Klemmen K1 und K2 detektiert wird. Wir kein solches Zusammenbrechen der Ausgangsspannung festgestellt, sondern stagniert statt dessen die Ausgangsspannung auf einem niederen Wert, so ist eine Leuchtdiodenlampe angeschlossen. Anhand der sich einstellenden Spannung am Ausgang wird nun entschieden um welchen Typ von Leuchtdiodenlampe es sich handelt, der dann entsprechend seinen Nennwerten betrieben wird, nachdem die Ausgangsspannung invertiert wurde, was einen Strom durch die Leuchtdioden zur Folge hat der zu einer Lichterzeugung in den Leuchtdioden führt.
Wie in der ersten Ausführungsform, wird auch in der zweiten Ausführungsform die Hochdruckentladungslampe nach erfolgter Zündung und dem Durchlaufen der sogenannten DC-Phasen, in welchen die Lampe für einige 10 Millisekunden bis einige 100 Millisekunden mit Gleichstrom zunächst der einen und dann der anderen Polarität betrieben wird, mit niederfrequentem, rechteckförmigem Strom betrieben.
Bezugszeichenliste

1: Elektronisches Betriebsgerät bestehend aus Spannungs-wandler, Wechselrichter und Steuerschaltung; auch als elektronisches Vorschaltgerät bezeichnet
2: Lampen-Kabel: Verbindungskabel zwischen Vorschaltgerät und Lampen(n)
3: Hochdruckentladungslampe bestehend aus Zündgerät und Hochdrucklampenbrenner
4: Leuchtdioden-Lampe, auch als Leuchtdiodenmodul oder Halbleiterlichtquellenmodul bezeichnet
Bat: Kraftfahrzeug-Bordnetz bzw. Batterie
21: Steuerschaltung, die den Spannungswandler und den Wechselrichter ansteuert
31: EMI-Filter am Eingang des elektronischen Betriebsgeräts
33: Filterschaltung zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit am Ausgang des elektronischen Betriebsgeräts
La: Hochdrucklampenbrenner
Cin: Eingangskondensator des Spannungswandlers
Q1: Primärseitiger Leistungsschalter des Spannungswandlers, der von der Steuerschaltung (21) angesteuert wird
Tr: Transformator des Spannungswandlers
Dout1, Dout2: Geleichrichterdioden des Spannungswandlers
Cout1, Cout2: Glättungskondensatoren des Spannungswandlers
R1, R2: Widerstände die einen Spannungsteiler für die Messung der Ausgangsspannung des Spannungswandlers bilden
RS: Stromerfassungseinrichtung, insbesondere Strom-Messwiderstand am Ausgang des Spannungswandlers
Q11, Q12, Q21, Q22: Leistungsschalter des Wechselrichters, die von der Steuerschaltung (21) angesteuert werden
Rout: Ladewiderstand
Cig: Zündkondensator
SG: Funkenstrecke
Tig: Zündtransformator
TVS: Spannungsbegrenzer
Lf: Drossel des Bandpasses bzw. der zweiten Filterschaltug
Cf: Kondensator des Bandpasses oder Hochpasses bzw. der zweiten Filterschaltung
Cf2: Kondensator des Bandpasses bzw. der zweiten Filterschaltung
D11, D12, D21, D22: Gleichrichterdioden
C3: Glättungskondensator
D31, ..., D3n: n Leuchtdioden der Leuchtdioden-Lampe
D1: Diode die ein Vorwärtsleiten von D2 verhindert
D2: Z-Diode deren Zenerspannung den Typ des Leuchtdioden-moduls kodiert
K1, K2, K3: Kontakte des 3-poliger Steckers an elektro-nischen Betriebsgerät, Hochdruckentladungslampe und Leuchtdiodenmodul

Claims

Schaltungsanordnung zum alternativen Betreiben entweder einer Hochdruckentladungslampe (3) oder mindestens einer Halbleiterlichtquellenlampe (4) mit folgenden Merkmalen: – einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss (K1, K2, K3), – einen Spannungswandler (Q1, Tr, Dout1, Dout2, Cout1, Cout2), der mit dem Eingangsanschluss gekoppelt ist, – einen Wechselrichter (Q11, Q12, Q21, Q22), der mit dem Ausgang des Spannungswandlers gekoppelt ist, – eine Steuerschaltung (21) die den Spannungswandler und den Wechselrichter betreibt, und in der ein Unterprogramm zum Betreiben der Hochdruckentladungslampe (3) abgespeichert ist und in der ein Unterprogramm zum Betreiben der Halbleiterlichtquellenlampe (4) abgespeichert ist, – eine erste Filterschaltung (33), deren Eingang mit dem Ausgang des Wechselrichters und deren Ausgang mit dem Ausgangsanschluss (K1, K2, K3) der Schaltungsanordnung gekoppelt ist, – wobei die Schaltungsanordnung (1) eingerichtet ist, anhand der polaritätsabhängigen und/oder anhand der frequenzabhängigen Eigenschaften den Lampentyp einer angeschlossenen Lampe zu erkennen und das entsprechende Unterprogramm aufzurufen, dadurch gekennzeichnet, dass – die Hochdruckentladungslampe (3) eine Kombination aus mindestens einem Zündgerät und einem Hochdruckentladungslampenbrenner aufweist, und – dass Hochdruckentladungslampe (3), Halbleiterlichtquellenlampe (4) sowie der Ausgang der Schaltungsanordnung (K1, K2, K3) jeweils gleiche, über Kabel verbindbare Stecker aufweisen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (Q11, Q12, Q21, Q22) der Schaltungsanordnung (1) sowie eine Stromerfassungseinrichtung (RS) und/oder eine Spannungserfassungseinrichtung (R1, R2) der Schaltungsanordnung (1) Informationen zum Lampentyp über vorhandene Lampenleitungen auslesen.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckentladungslampe (3) und die Halbleiterlichtquellenlampe (4) parallel geschaltet sind.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler ein Sperrwandler ist und der Wechselrichter eine Vollbrücke (Q11, Q12, Q21, Q22) aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterlichtquellenlampe (4) eine zweite Filterschaltung aufweist, die zwischen den Eingang (K1, K2, K3) der Halbleiterlichtquellenlampe und einen Gleichrichter (D11, D12, D21, D22) der Halbleiterlichtquellenlampe geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, wobei die Steuerschaltung (21) die Halbleiterlichtquellenlampe mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 300 kHz ansteuert, und die Hochdruckentladungslampe mit einer Frequenz zwischen 50 Hz und 5 kHz ansteuert
Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Filterschaltung ein Bandpass oder ein Hochpass ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterlichtquellenlampe (4) mindestens ein spannungsbegrenzendes Bauelement (D2) enthält, welches zur Festlegung des Lampentyps verwendet wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine spannungsbegrenzende Bauelement (D2) eine Zenerdiode oder ein Varistor ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (21) einen Mikrocontroller aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung eine digitale Schnittstelle aufweist.
Verfahren zum alternativen Betreiben entweder einer Hochdruckentladungslampe (3) oder mindestens einer Halbleiterlichtquellenlampe (4) mittels einer Schaltungsanordnung (1) gemäß den Ansprüchen 1 bis 11, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Abrufen des in der Schaltungsanordnung (1) gespeicherten Lampentyps, – Aufrufen eines Unterprogramms zum Betreiben des abgerufenen Lampentyps.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Lampenfehler der alternative Lampentyp durch das Aufrufen des Unterprogramms zum Betreiben des alternativen Lampentyps betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Lampentyps die Frequenz der Vollbrücke variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Lampentyps die spannungsbegrenzende Eigenschaft der Lampe ausgewertet wird.