DE102011085659A1

DE102011085659A1 - Getaktete Heizschaltung für Betriebsgeräte für Leuchtmittel

Info

Publication number: DE102011085659A1
Application number: DE102011085659A
Authority: DE
Inventors: Florian Moosmann
Original assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Current assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2011-11-03
Publication date: 2013-05-08
Also published as: WO2013063633A3; EP2774460B1; WO2013063633A2; EP2774460A2; DE112012004615A5

Abstract

Die Erfindung stellt eine Schaltung zur Heizung wenigstens einer Wendel einer dimmbaren Gasentladungslampe bereit, aufweisend: ein galvanisch getrenntes und vorzugsweise aktiv mittels eines Schalters getaktetes Koppelelement vorgesehen ist, das eine Heizenergie von einer mit Spannung versorgten Primärseite zu einer Sekundärseite überträgt, die mit der zu heizenden Wendel verbunden ist, wobei das Koppelelement primärseitig und/oder sekundärseitig wenigstens ein Halbleiterbauteil aufweist, und eine Überwachungsschaltung, die dazu eingerichtet ist, eine Temperatur an dem wenigstens einen Halbleiterbauteil indirekt, mittels eines elektrischen Parameters, und/oder direkt mittels eines Temperatursensors zu erfassen und abhängig von der erfassten Temperatur den Dimmpegel der Gasentladungslampe und mittelbar oder unmittelbar die übertragene Heizleistung zu verändern.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Betriebsgeräte für Leuchtmittel z. B. Gasentladungslampen, die einen primärseitig getakteten und galvanisch getrennten Überträger als Koppelelement für die Haupt-Lichtleistung der Leuchtmittel und/oder für eine Neben-Leistung, wie bspw. Heizung, Niedervoltversorgung, Schnittstellenversorgung etc. aufweisen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich dabei insbesondere auf eine Schaltung zur Heizung von Leuchtmitteln, beispielsweise Gasentladungslampen und insbesondere Leuchtstofflampen, wie sie von Betriebsgeräten für diese Leuchtmittel, z. B. in elektronischen Vorschaltgeräten (EVGs), betrieben werden.
Aus dem Stand der Technik sind elektronische Vorschaltgeräte (EVGs) für Leuchtstofflampen bekannt, die Wendelheizschaltungen verwenden. Diese sind mittels eines Koppelelements mit einer Primärseite verbunden. Die Primärseite ist mit einer Spannung versorgt. Dabei kann beispielsweise ausgehend von einem Ausgangskreis (Lampenbetriebsspannungsversorgung, Halbbrückenspannung, Busspannung, usw.) die Heizenergie transformatorisch, kapazitiv, usw. in den Sekundärkreis gekoppelt werden, der wiederum mit den Wendeln verbunden ist.
Einige der transformatorisch arbeitenden Wendelheizsysteme verwenden einen mit einem Schalter getakteten Sperrwandler (Flyback Power Converter) der im Folgenden als Flyback-Konverter bezeichnet wird.
Die WO 00/72640 A1 zeigt eine Wendelheizung mit einem Heiztransformator, der eine mit einem Ausgang eines Wechselrichters eines elektronischen Vorschaltgerätes verbundene Primärwicklung aufweist. Weiter weist der Heiztransformator der eine in einem Heizkreis mit einer Wendel angeordnete Sekundärwicklung zum Beheizen jeder der beiden Wendeln einer Gasentladungslampe auf. Parallel zu einem Lastkreis ist eine Serienschaltung vorgesehen, welche die Primärwicklung des Heiztransformators und eine elektronische Schaltervorrichtung enthält.
Die WO 00/72642 zeigt eine Heizung, die ausgehend von dem Mittenpunkt eines Wechselrichters versorgt wird. Diese Art der Versorgung einer Heizung kann grundsätzlich auch bei der Erfindung angewandt werden, stellt indessen aber nur ein Beispiel der Versorgung der Heizung dar.
Als weiterer Stand der Technik ist die WO 2009/000475 A2 zu nennen, die ein System zum Betrieb einer Leuchtdioden-Anordnung beschreibt. Das System weist ein Erfassungsmittel für einen Strom durch die Leuchtdioden-Anordnung sowie einen Spannungsabfall über der Leuchtdioden-Anordnung auf. Sie weist zudem Mittel zur Ermittlung der Anzahl und der Farbe der Leuchtdioden der Leuchtdioden-Anordnung anhand von Informationen von den Erfassungsmitteln auf.
Die US 2011/068715 A1 beschreibt eine Verbundlichtquelle, die Veränderungen in einem elektrischen Wirkungsgrad bei zunehmender Betriebstemperatur kompensiert. Die Verbundlichtquelle erzeugt Licht abhängig von einem Betriebsstrom durch die Verbundlichtquelle und einer Temperatur. Die Verbundlichtquelle enthält eine primäre Lichtquelle und eine Ausgleichslichtquelle. Die primäre Lichtquelle und die Ausgleichslichtquelle wandeln elektrischen Strom zu Licht, wobei jede Lichtquelle durch einen elektrischen Wirkungsgrad charakterisiert ist, der mit steigender Temperatur und zunehmendem Strom abnimmt. Die Verbundlichtquelle enthält einen Temperatursensor, der die Temperatur der primären Lichtquelle misst, und eine Stromteilerschaltung, die den Betriebsstrom zwischen der primären Lichtquelle und der Ausgleichslichtquelle aufteilt, um die Abnahme des Wirkungsgrads der primären Lichtquelle bei einer Temperatur oberhalb der Betriebstemperatur durch Stromzuleitung an die Ausgleichslichtquelle zu kompensieren.
Schließlich beschreibt die EP 2 312 912 A2 eine Schaltung für eine Temperaturregelung einer LED, die eine Veränderung der Lichtstärke der LED abhängig von der Umgebungstemperatur erlaubt. Dabei wird eine Temperaturinformation von einem Sensor bereitgestellt.
In der WO 2006/111263 wird eine Flyback-Heizung für eine Schaltung zur Heizung wenigstens einer Wendel einer Gasentladungslampe beschrieben, wie sie grundsätzlich auch bei der vorliegenden Schaltung verwendet werden kann. Die Schaltung weist dabei ein primärseitig getaktetes Koppelelement auf, das Heizenergie von einer mit Spannung versorgten Primärseite zu einer Sekundärseite überträgt, die wiederum mit wenigstens einer zu heizenden Wendel verbunden ist. Die Übertragung der Heizenergie erfolgt also unter galvanischer Trennung.
Die vorliegende Erfindung entwickelt den Gedanken der WO 2006/111163 jedoch weiter und bezieht sich insbesondere darauf, das Koppelelement vor Überhitzung zu schützen. Das Koppelelement ist vorzugsweise ein Sperrwandler, insbesondere einen Flyback-Konverter, der zum Heizen einer Wendel, beispielsweise einer Gasentladungslampe, verwendet wird.
Es ist bekannt, dass in einem gedimmten Betrieb, bei niedrigem Dimmpegel, ein hoher Grad an Zuheizung der Wendel erforderlich ist, um einen zuverlässigen Betrieb, beispielweise einer Gasentladungslampe, zu ermöglichen.
Dieser hohe Zuheizgrad führt ggf. zu einer Erwärmung der Komponenten der Heizschaltung. Diese Erwärmung ist dann besonders kritisch, wenn die Heizschaltung Halbleiterbauteile (z. B. Halbleiterschalter wie Feldeffekttransistoren (FET) und/oder Dioden) aufweist, die bei Übertragung der Heizenergie belastet werden und sich somit aufheizen. Bei hohen Temperaturen können die Halbleiterbauteile beschädigt oder zerstört werden.
Die Situation verschärft sich zudem, wenn gleichzeitig eine hohe Umgebungstemperatur der Schaltung bzw. des Betriebsgerätes/Vorschaltgerätes zum Betrieb des Leuchtmittels herrscht.
Die vorliegende Erfindung stellt daher eine Schaltung bereit, die dieser Situation Rechnung trägt und die einer Beschädigung oder Zerstörung der Halbleiterbauteile entgegenwirkt.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung stellt daher Vorrichtungen und ein Verfahren bereit, wie sie mit den unabhängigen Ansprüchen beansprucht werden. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
In einem ersten Aspekt stellt die Erfindung eine Schaltung zur Heizung wenigstens einer Wendel einer dimmbaren Gasentladungslampe bereit, aufweisend: ein galvanisch getrenntes und vorzugsweise aktiv mittels eines Schalters getaktetes Koppelelement vorgesehen ist, das eine Heizenergie von einer mit Spannung versorgten Primärseite zu einer Sekundärseite überträgt, die mit der zu heizenden Wendel verbunden ist, wobei das Koppelelement primärseitig und/oder sekundärseitig wenigstens ein Halbleiterbauteil aufweist, und eine Überwachungsschaltung, die dazu eingerichtet ist, eine Temperatur an dem wenigstens einen Halbleiterbauteil indirekt, mittels eines elektrischen Parameters, und/oder direkt mittels eines Temperatursensors zu erfassen und abhängig von der erfassten Temperatur den Dimmpegel der Gasentladungslampe und mittelbar oder unmittelbar die übertragene Heizleistung zu verändern.
Der erfasste elektrische Parameter kann ein Spannungs-/Stromwert, ein Widerstandswert, eine Spannungs-/Stromwertänderung, eine Widerstandswertänderung und/oder ein Ergebnis einer Spannungs-/Stromwertberechnung sein.
Das wenigstens eine Halbleiterbauteil kann ein primärseitig angeordneter Halbleiterschalter sein, der dazu eingerichtet ist das Koppelelement primärseitig zu takten.
Die Überwachungsschaltung kann dazu eingerichtet sein, die Temperatur an dem Halbleiterschalter durch Messung eines Einschaltwiderstands und/oder eines Spannungsabfalls über den Halbleiterschalter zu ermitteln.
Das wenigstens eine Halbleiterbauteil kann eine sekundärseitig angeordnete Diode sein, und die Überwachungsschaltung kann dazu eingerichtet sein, eine Flussspannung an der Diode zu ermitteln.
Die Überwachungsschaltung kann auch dazu eingerichtet sein, die Flussspannung durch eine Messung einer Anodenspannung und einer Kathodenspannung der Diode zu ermitteln.
Die Überwachungsschaltung kann weiter dazu eingerichtet sein, die Anodenspannung der Diode indirekt über ein hinterlegtes Wicklungsverhältnis des Koppelelements und die Spannung zu ermitteln.
Die Überwachungsschaltung kann dazu eingerichtet sein, den Dimmpegel zu erhöhen und gleichzeitig die übertragene Heizenergie zu senken, oder umgekehrt.
Die Überwachungsschaltung kann dazu eingerichtet sein, die übertragene Heizenergie durch ein Verändern der Taktung des Halbleiterbauteils und/oder durch Verändern, z. B. einem Absenken oder Anheben, einer der Schaltung zugeführten Spannung, z. B. einer Busspannung, zu verändern.
Die Überwachungsschaltung kann dazu eingerichtet sein, die übertragene Heizenergie und/oder den Dimmpegel abhängig von wenigstens einem vorgegebenen Schwellwert für die erfasste Temperatur zu verändern.
Die Überwachungsschaltung kann dazu eingerichtet sein, den Dimmpegel und die übertragene Heizenergie auf einen Abgleich der erfassten Temperatur mit einer hinterlegten Tabelle, z. B. einer Lookup-Tabelle, und/oder auf Auswertung einer hinterlegten Funktion hin zu verändern.
Die Überwachungsschaltung kann mittels Hardware, z. B. mittels eines ASICs, implementiert sein.
Die Tabelle, die Funktion und/oder das Wicklungsverhältnis können in der Überwachungsschaltung hinterlegt sein.
Die Überwachungsschaltung kann dazu eingerichtet sein, den gemessenen Einschaltwiderstand des Halbleiterschalters und/oder den Spannungsabfall über den Halbleiterschalter und einen weiteren Parameter von einem weiteren Halbleiterbauteil über denselben Zugangspunkt der Überwachungsschaltung zu erfassen. Die Messung des Einschaltwiderstands und/oder des Spannungsabfalls kann bei geschlossenem Halbleiterschalter und die Ermittlung weiteren Parameters kann bei geöffnetem Halbleiterschalter erfolgen.
Das weitere Halbleiterbauteil kann die Diode und der weitere Parameter kann die Flussspannung an der Diode sein.
Das Koppelelement kann einen Sperrwandler, insbesondere einen Flyback-Konverter, umfassen.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Betriebsgerät für Leuchtmittel bereit, aufweisend eine Schaltung wie sie vorstehend beschrieben ist.
Bei dem Betriebsgerät kann die Primärseite des Koppelelements ausgehend von der Mittenpunktspannung eines Halbbrücken- oder Vollbrücken-Wechselrichters gespeist sein, oder von einer den Wechselrichter speisenden DC-Spannung versorgt sein.
In einem noch weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Heizung wenigstens einer Wendel einer dimmbaren Gasentladungslampe bereit, wobei ein galvanisch getrenntes und vorzugsweise aktiv mittels eines Schalters getaktetes Koppelelement eine Heizenergie von einer mit Spannung versorgten Primärseite zu einer Sekundärseite überträgt, die mit der zu heizenden Wendel verbunden ist, wobei das Koppelelement primärseitig und/oder sekundärseitig wenigstens ein Halbleiterbauteil aufweist, und wobei eine Überwachungsschaltung eine Temperatur an dem wenigstens einen Halbleiterbauteil indirekt, mittels eines elektrischen Parameters, und/oder direkt mittels eines Temperatursensors erfasst und abhängig von der erfassten Temperatur den Dimmpegel der Gasentladungslampe und mittelbar oder unmittelbar die übertragene Heizleistung verändert.
In einem noch weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine integrierte, vorzugsweise digitale Steuerschaltung bereit, wie bspw. ASIC oder Mikrokontroller, die zur Durchführung des Verfahrens, wie es vorstehend beschrieben ist, ausgebildet sind.
Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sollen nunmehr bezugnehmend auf die begleitenden Figuren sowie anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Betriebsgerätes für Leuchtmittel, wie es der Erfindung zugrunde liegt.
2 zeigt beispielhaft eine Schaltung gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
3 zeigt beispielhaft eine Schaltung gemäß eines weitern Ausführungsbeispiels der Erfindung.
4a und 4b zeigen beispielhaft zwei Einbettungen der Schaltung aus 1 in Systeme.
5 zeigt in einem Diagramm eine Zunahme des Widerstands R_{ds_on} (Drain-Source-Channel-Widerstand) eines Halbleiterschalters in Abhängigkeit der Temperatur.
6 zeigt in einem U/I-Diagramm für eine Diode die Abnahme einer Flussspannung U_f einer Diode bei verschiedenen Temperaturen T_j.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt schematisch ein Gesamt-Betriebsgerät (Vorschaltgerät EVG) für eine Lampe als Ausgangspunkt für die Erfindung. Das Gesamt-Betriebsgerät wird üblicherweise mit Netzspannung, bzw. einer AC-Versorgungsspannung U_AC betrieben. Ein Betrieb mit einer Gleichspannung kann jedoch auch vorgesehen sein, die bspw. von einer Batterie bereitgestellt wird (z. B. in einem Notlichtbetrieb). Im Fall des Betriebs mit der AC-Versorgungsspannung U_AC wird diese Spannung üblicherweise durch einen Gleichrichter GL gleichgerichtet und gegebenenfalls mit einem Filter gefiltert.
Die gleichgerichtete AC-Versorgungsspannung U_AC wird dann durch einen Zwischenkreisschaltung 30 auf eine geeignete Busspannung U_bus umgesetzt. Die Zwischenkreisschaltung 30 kann weitere Funktionen aufweisen, wie beispielsweise die Sicherstellung einer sinusförmigen Stromaufnahme (Leistungsfaktorkorrektur, aktiver d. h. geschalteter PFC), eine Stabilisierung der Busspannung U_bus durch Regelung und/oder eine Beschränkung der in das Netz zurückgestrahlten Oberwellen usw.
Die Busspannung U_bus wird dann durch einen Wechselrichter, der bevorzugt als Halbrückenwechselrichter 20, gebildet durch eine Halbbrücke mit zwei in Serie geschalteten Leistungsschaltern, aber auch als Vollbrückenwechselrichter ausgebildet sein kann, in eine bevorzugte Betriebsspannung für einen Resonanzkreis RKL umgesetzt, zu dem die Lampe bevorzugt parallel geschaltet ist. Die bevorzugte Betriebsspannung wird an dem bevorzugten Halbrückenwechselrichter 20 am Mittenpunkt abgegriffen.
Der Betrieb des Vorschaltgeräts kann durch eine oder mehrere elektronische Steuer- und/oder Regeleinheiten vorgegeben werden. Der Einfachheit halber ist in 1 nur eine einzige elektronische Steuer- und/oder Regeleinheit SE vorgesehen. Dieser elektronischen Steuer- und/oder Regeleinheit SE können verschiedene Parameter aus dem Bereich der AC-Versorgungsspannung U_AC, dem Bereich der Zwischenkreisschaltung 30, dem Bereich des Halbrückenwechselrichters 20 und/oder dem Bereich des Last- oder Resonanzkreises RKL und der Lampe zurückgeführt werden.
Weiter ist die Steuer- und/oder Regeleinheit SE in der Lage, beispielsweise über eine Schnittstelle (nicht gezeigt) externe oder interne Steuerparameter, z. B. Dimmwerte zur Einstellung von Dimmpegeln, zu empfangen. Diese Steuerparameter können beispielsweise über einen angeschlossenen Bus zugeführt werden, der beispielsweise ein Digitalbus gemäß dem Industrie-Standard DALI sein kann. Der Steuer- und/oder Regeleinheit SE sind insbesondere Dimmwerte zuführbar, die einen Sollwert für die einzustellende Lampenleistung darstellen.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Busspannung U_bus für den Halbbrückenwechselrichter 20 ebenfalls beispielsweise durch die Regel- und Steuereinheit SE verändert werden soll. Dazu kann die Regel- und Steuereinheit SE beispielsweise Parameter der Ansteuerung der Zwischenkreisschaltung 30, insbesondere der Taktung eines Schalters des aktiven PFCs verändern, derart, dass die Busspannung U_bus verändert wird.
In 1 wird die beispielhaft dargestellte Heizschaltung ausgehend von einer den Halbbrückenwechselrichter 20 speisenden DC-Spannung versorgt, z. B. von der durch die Zwischenkreisschaltung 30 (geschaltete PFC-Schaltung) bereitgestellte Zwischenkreisspannung. Alternativ kann die Heizschaltung auch von der Mittenpunktspannung des Halbbrückenwechselrichters 20 (oder durch einen Vollbrückenwechselrichter) gespeist werden.
Als Stellgrösse für die Einstellung der Lampenleistung kann die Schaltfrequenz der Schalter des Halbbrückenwechselrichters 20 gewählt werden. Als Rückführgrösse, die die Ist-Lampenleistung wiedergibt, kann beispielsweise der Lampenstrom I und/oder die Lampenspannung U gewählt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung zunächst mit Blick auf die 2 und 3 beschrieben.
2 zeigt beispielhaft eine Schaltung 10 gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. 2 zeigt die Schaltung 10 mit einem Koppelelement, das als getakteter Sperrwandler ausgebildet ist. Andere transformatorische oder kapazitive Ausgestaltungen sind jedoch ebenfalls möglich.
Die Primärseite des Koppelelements weist eine mit einem vorzugsweise elektronischen Schalter S1, insbesondere einem Halbleiterschalter (z. B. einem Feldeffekttransistor FET), in Serie geschaltete Primärspule L1'1 auf. Die Spannungsversorgung ist im dargestellten Beispiel eine Gleichspannungsversorgung, so dass eine üblicherweise durch die Glättungsschaltung GL und die durch die Zwischenkreisschaltung (PFC, Power Factor Correction Circuit) 30 geregelte Zwischenkreisspannung oder eine Busspannung U_bus in einem elektronischen Vorschaltgerät verwendet werden kann. Andere primärseitige DC- oder AC-Versorgungsspannungen können jedoch ebenfalls zum Einsatz kommen.
Der elektronische Schalter S1 dient dazu, das Koppelelement zu takten und wird dazu von einer Steuerschaltung ggf. mit einstellbarem Tastverhältnis und/oder Frequenz angesteuert. In dem dargestellten Beispiel weist die Schaltung 10 beispielsweise insbesondere einen Flyback-Konverter als getakteten Sperrwandler auf, der mit einer definierten Einschaltzeit T_on und einer Frequenz f betrieben wird.
Gemäß dem Transformatorprinzip wird in dem dargestellten Beispiel elektrische Energie von der Primärseite auf eine Sekundärseite, bzw. von der Primärspule L1'1 auf eine Sekundärspule L1'2 übertragen. Im dargestellten Beispiel ist ein Zweig ausgehend von der Sekundärspule L1'2 hin zu einer Wendel, die hier durch einen Ersatzwiderstand R_fil dargestellt ist, gezeigt. Es ist jedoch möglich, einen zweiten oder weiteren Zweig zu einer zweiten oder weiteren Wendel, die hier nicht dargestellt sind, über eine zweite oder weitere Sekundärspule mit der Primärspule zu koppeln. Die Sekundärseite kann also auch mehrere Wendeln versorgen.
Bei im Wesentlichen konstanter Versorgungsspannung U_bus hängt die durch den getakteten Sperrwandler übertragene Heizenergie im Wesentlichen von der Schaltfrequenz f sowie der Einschaltzeitdauer T_on des Halbleiterschalters S1 ab. Der elektronische Schalter S1 kann von einer Heizsteuerschaltung 13 (siehe 3) angesteuert werden. Die Heizsteuerschaltung 13 kann dabei Teil der Steuereinheit SE sein oder getrennt davon angeordnet sein.
Die Schaltersteuerung des elektronischen Schalters ermöglicht auch einen unabhängigen Betrieb der Heizschaltung, was beispielsweise bei Ankopplung der Heizschaltung an einen Wechselrichter-Mittenpunkt ohne individuelle Taktung eines Schalters der Heizschaltung nicht der Fall ist. Der unabhängige Betrieb der Schaltung ist gerade für das Vorheizen vor dem Zünden vorteilhaft, bei dem bekanntlich der Wechselrichter nicht unbedingt bereits betrieben wird. Weiterhin ergeben sich durch das Vorsehen eines unabhängig getakteten Schalters in der Heizschaltung für einen Dimmbetrieb oder einen Multilampenbetrieb vorteilhafte Entwurfsfreiheiten.
Sollwerte für die Einschaltzeit T_on sowie die Frequenz f der Schaltvorgänge des Schalters S1 können dabei durch die Heizsteuerschaltung 13 (z. B. einem ASIC oder Mikrokontroller) vorgegeben sein.
Die Vorgaben für die Einschaltzeitdauer T_on und/oder die Schaltfrequenz f des getakteten Sperrwandlers kann von der Steuerschaltung beispielsweise abhängig vom aktuellen Dimmzustand des Leuchtmittels und ggf. vom (beispielsweise über den Wendelstrom) erfassten Typ des Leuchtmittels berechnet und dann in der Heizsteuerschaltung vorgegeben werden. Die Steuerschaltung kann beispielsweise über eine Schnittstelle Dimmbefehle beispielsweise gemäß des DALI-Standards erhalten.
Die Heizsteuerschaltung 13 kann den Dimmpegel des Leuchtmittels steuern oder regeln, indem sie wenigstens einen die Leistung des Leuchtmittels beeinflussenden Parameter stellt. Dieser Parameter kann bspw. die Frequenz einen Halbbrücken-Wechselrichters sein, dessen Mittenpunkt einen das Leuchtmittel aufweisenden Resonanzkreis speist.
Die Primärseite des Sperrwandlers/Sperrwandeltransformators mit der Spule L1'1 und dem elektronischen Schalter S1 ist also vorzugsweise an eine Zwischenkreisspannung oder Busspannung U_bus angeschlossen, da diese stets ein im Wesentlichen konstantes Potential aufweist, wodurch sichergestellt ist, dass bei konstanter Einschaltzeit T_on und Frequenz f des elektronischen Schalters S1 eine konstante Heizenergie auf die Sekundärseite des Sperrwandlers abgegeben wird.
Alternativ kann die Primärseite auch ausgehend von der Mittenpunktspannung eines Halbbrücken-Wechselrichters gespeist werden.
Die vorliegende Erfindung ist nunmehr insbesondere dazu ausgebildet, eine Temperatur der in der Schaltung 10 verwendeten Halbleiterbauteile, z. B. des elektronischen Schalters S1, mit einer Überwachungsschaltung 11 (siehe 3) zu ermitteln, die bei kritischen Zuständen, beispielsweise bei hohen Temperaturen, Gegenmaßnahmen ausführt, um die Halbleiterbauteile vor einer Zerstörung oder Beschädigung zu schützen. Diese Überwachungsschaltung kann bspw. Teil der Steuerschaltung sein, oder separat zu dieser ausgebildet sein.
Neben dem elektronischen Schalter S1 können in der erfindungsgemäßen Schaltung 10 selbstverständlich weitere Halbleiterbauteile vorgesehen sein. Beispielweise zeigt die 2 auf der Sekundärseite der Schaltung 10 eine in Serie mit der Sekundärspule L1'2 verbundene Diode D1, die zwischen der Sekundärspule L1'2 und der Wendel/dem Ersatzwiderstand R_fil in Durchlassrichtung angeordnet ist. Parallel zu dem Ersatzwiderstand R_fil ist ein Kondensator C1 angeordnet.
Erfindungsgemäß wird die Temperatur der Halbleiterbauteile an dem jeweiligen Bauteil von der Überwachungsschaltung 11 direkt oder indirekt, z. B. über temperaturwiedergebende elektrische Parameter (U_FET, U_f, bzw. U_An und U_Kath), die für das Halbleiterbauteil ermittelt werden, erfasst.
Über einen ersten Spannungsteiler ST1, der durch den ersten Widerstand R1 und den zweiten Widerstand R2 gebildet ist, kann z. B. ein Schalterwiderstand (Einschaltwiderstand) des primärseitigen Schalters S1, bzw. ein Spannungsabfall U_FET über dem Schalter S1, an einem ersten Abgriffspunkt PIN1 erfasst werden, der mit dem Mittenpunkt des ersten Spannungsteilers ST1 verbunden ist.
Der Schalterwiderstand des, bzw. der Spannungsabfall U_FET an dem Schalter S1 ist temperaturabhängig und verändert sich bei ansteigender (und natürlich auch bei abfallender) Temperatur. Dieses Verhalten kann folglich durch die Überwachungsschaltung erfasst werden. Der Schalterwiderstand des, bzw. der Spannungsabfall U_FET an dem Schalter S1, der die Temperatur/Temperaturveränderung an dem Schalter S1 wiedergibt, wird dann als ein elektrischer Parameter der Überwachungsschaltung 11 zugeführt und durch sie ausgewertet.
Gemäß der Erfindung wird auch eine Flussspannung U_f der sekundärseitigen Diode D1 ermittelt. Dies erfolgt durch ein Erfassen einer Anodenspannung U_An auf Anodenseite der Diode D1 und ein Erfassen einer Kathodenspannung U_Kath auf der Kathodenseite der Diode D1. Die Anodenspannung U_An bzw. die Kathodenspannung U_Kath wird dabei über einen zweiten Spannungsteiler ST2 bzw. einen dritten Spannungsteiler ST3 erfasst. Der zweite Spannungsteiler ST2 wird dabei von dem dritten Widerstand R3 und dem vierten Widerstand R4 gebildet. Der dritte Spannungsteiler ST3 wird von dem fünften Widerstand R5 und dem sechsten Widerstand R6 gebildet.
Die Anodenspannung U_An kann von der Überwachungsschaltung 11 über einen zweiten Abgriffspunkt PIN2 erfasst werden, der mit dem Mittenpunkt des zweiten Spannungsteilers ST2 verbunden ist. Entsprechend kann die Kathodenspannung U_Kath auf der Kathodenseite der Diode D1 über einen dritten Abgriffspunkt PIN3 erfasst werden, der mit dem Mittenpunkt des dritten Spannungsteilers ST3 verbunden ist.
Die Anodenspannung U_An der sekundärseitigen Diode D1 kann alternativ auch indirekt ermittelt werden, nämlich in Kenntnis der Versorgungsspannung U_bus sowie des Wicklungsverhältnisses der primärseitigen Spule L1'1 zu der sekundärseitigen Spule L1'2 des Koppelelements. Der zweite Spannungsteiler ST2 kann dann entfallen, während die Flussspannung U_f jedoch immer noch ermittelt werden kann. Das Wicklungsverhältnis ist vorzugsweise in der Überwachungsschaltung 11 hinterlegt oder ermittelbar.
Die Flussspannung U_f ist ebenfalls temperaturabhängig und verändert sich bei ansteigender (und abfallender) Temperatur. Die Flussspannung U_f wird daher als ein elektrischer Parameter von der Überwachungsschaltung 11 ausgewertet, der die Temperatur/Temperaturveränderung an der Diode D1 widergibt. Die Flussspannung U_f lässt sich aus der Anodenspannung U_An und der Kathodenspannung U_Kath berechnen z. B. durch U_f = U_An – U_Kath.
Dabei kann die Messung des Schalterwiderstandes/Spannungsabfalls U_FET bei geschlossenem Schalter S1 erfolgen, während die Ermittlung der Flussspannung U_f an der sekundärseitigen Diode D1 bei geöffnetem Schalter erfolgen kann.
In der Folge kann vorzugsweise die Messung des Schalterwiderstandes/Spannungsabfalls U_FET und die Ermittlung der Flussspannung U_f an dem gleichen Abgriffspunkt erfolgen und somit über einen Eingang an der Überwachungsschaltung 11, z. B. einer ASIC, zugeführt werden.
Aus den gemessenen/ermittelten Parametern (Flussspannung U_f und Schalterwiderstand/Spannungsabfall U_FET) kann jeweils die Temperaturermittlung an dem elektronischen Schalter S1, der Diode D1, oder beiden erfolgen.
Es ist aber zu verstehen, dass noch weitere Halbleiterbauteile in der Schaltung 10 vorgesehen sein können, für die temperaturwiedergebende Parameter von der Überwachungsschaltung 11 ermittelt werden. Allgemein kann die Überwachungsschaltung 11 elektrische Parameter erfassen, wie z. B. einen Spannungs-/Stromwert, einen Widerstandswert, eine Spannungs-/Stromwertänderung, eine Widerstandswertänderung und/oder ein Ergebnis einer Spannungs-/Stromwertberechnung.
Es kann in der Überwachungsschaltung 11 mindestens ein Schwellwert für die ermittelte Temperatur vorgegeben sein, bei dessen über- oder unterschreiten die Überwachungsschaltung 11 eine Maßnahme einleitet, die einer weiteren Erwärmung der Schaltung 10, bzw. der Halbleiterbauteile entgegenwirken. Dabei kann für jedes Halbleiterbauteil mindestens ein Schwellwert vorgegeben sein. Abhängig von dem erreichten Schwellwert und auch von dem Halbleiterbauteil, für den er erreicht wird, kann dann die passende Maßnahme gewählt werden.
Wenn die ermittelte Temperatur einen vorgegebenen Schwellwert über- oder unterschreitet, kann die Überwachungsschaltung 11 z. B. einen Dimmpegel der Gasentladungslampe erhöhen, was ein geringeres Zuheizen, also eine verminderte Übertragung von Heizenergie von der Primärseite auf die Sekundärseite, erfordert. Durch das Verringern des Zuheizens wird einer weiteren Erwärmung der Schaltung 10 und insbesondere einer weiteren Erwärmung der Halbleiterbauteile entgegengewirkt.
Der Zusammenhang zwischen Dimmpegel und Grad des Zuheizens für die Wendel ist vorzugsweise in einer Tabelle oder in einer Funktion in der Überwachungsschaltung 11 (z. B. einem ASIC) hinterlegt.
Da eine solche Anpassung des Dimmpegels zur Folge haben kann, dass das Leuchtmittel nicht mehr mit ordnungsgemäß beheizten Wendeln betrieben wird, was zu einem vorzeitigen Ausfall des Leuchtmittels führen kann, wird bevorzugt mittelbar oder unmittelbar mit Erhöhung der Lampenleistung (also der Erhöhung des Dimmpegels) gleichzeitig die Heizleistungsübertragung verringert, oder umgekehrt.
Die Temperatur an den Halbleiterbauteilen kann indessen auch direkt von einem Temperatursensor ermittelt werden, der in der Nähe des Koppelelements bzw. der Bauteile angeordnet ist.
Allgemein ist es für die Temperaturerfassung jedoch nicht ausreichend, temperaturanzeigende Parameter aus der Umgebung der Schaltung 10 zu ermitteln. Bei geringem Dimmpegel werden die Halbleiterbauteile zwar insgesamt weniger belastet, durch starkes Zuheizen werden jedoch die Halbleiterbauteile der Schaltung 10 stark belastet. Im Gegensatz zu den übrigen Bereichen der Schaltung 10 wird hier also eine starke Erwärmung bei geringen Dimmpegeln auftreten.
Bei der direkten Temperaturermittlung über den Temperatursensor ist daher zu beachten, dass dieser Temperatursensor um den Bereich des Koppelelements, bzw. des Flyback-Konverters, und nahe an den Halbleiterbauteilen angeordnet sein muss, um spezifisch die Temperatur der Halbleiterbauteile zu ermitteln.
Die sekundärseitige Diode D1, die gemäß der Erfindung überwacht wird, kann auch durch einen Kondensator ersetzt sein. Dieser ist durch erhöhte Temperaturen weit weniger gefährdet. Insbesondere ist in einer so geänderten Schaltungsanordnung dann nur eine primärseitige Überwachung des Schalters notwendig, wobei der Schalter auf jeden Fall für den Flyback-Konverter vorliegen muss.
Allgemein ist ein Flyback-Konverter nur ein Beispiel für eine getaktete potentialgetrennte Heizschaltung. Andere Heizschaltungstopologien können ebenfalls zum Einsatz kommen.
Die Überwachungsschaltung 11 kann auch ein Teil der Heizsteuerschaltung 13 bzw. der Steuereinheit SE sein. Die temperaturwiedergebenden elektrischen Parameter werden in diesem Fall an die Heizsteuerschaltung 13 bzw. die Steuereinheit SE zurückgeführt.
3 zeigt beispielhaft eine Schaltung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung. Die Schaltung 10 ist nun mit einer ersten Wendel W1 einer Lampe LA verbunden statt mit dem Ersatzwiderstand R_fli verbunden. Die Heizsteuerschaltung 13 gibt Sollwerte für die Einschaltzeit T_on sowie die Frequenz f der Schaltvorgänge des elektronischen Schalters S1 vor. Sie kann bidirektional mit der Überwachungsschaltung 11 kommunizieren. Schwellwerte und Sollwerte für Temperaturen können der Überwachungsschaltung 11 von der Heizsteuerschaltung 13 über den bidirektionalen Kommunikationskanal 14 vorgegeben werden. Die Heizsteuerschaltung 13 kann beispielsweise über eine Schnittstelle 15 Dimmbefehle beispielsweise gemäß dem DALI-Standard erhalten.
3 zeigt auch eine Berechnungseinheit 12, die aus einer der Anodenspannung U_An und Kathodenspannung U_Kath die Flussspannung U_f berechnet. Alternativ kann diese Berechnung auch durch die Überwachungsschaltung 11 durchgeführt werden.
Die Überwachungsschaltung 11 kann auch feststellen, wenn die eingeleiteten Gegenmaßnahmen ohne Wirkung bleiben, sich also die Halbleiterbauteile trotz der Veränderung von Dimmpelgel und Grad des Zuheizens weiter erwärmen (was durch eine entsprechende Veränderung der temperaturwiedergebenden elektrischen Parameter angezeigt wird), oder sich die temperaturwiedergebenden elektrischen Parameter auf die Gegenmaßnahmen hin nicht verändern.
Bei Überschreitung eines Schwellwerts kann die Überwachungsschaltung 11 der Heizsteuerschaltung 13 z. B. eine Überhitzungsinformation über den Kommunikationskanal 14 an die Heizsteuerschaltung 13 übermitteln. Wenn die Heizsteuerschaltung 13 die Überhitzungsinformation von der Überwachungsschaltung 11 erhält, kann die Heizsteuerschaltung 13 über ausgehende Befehle 16 das Betriebsgerät (elektronisches Vorschaltgerät EVG) z. B. in einen Fehlermodus schalten oder abschalten. Die Reaktion der Heizsteuerschaltung 13 auf die Überhitzungsinformation kann dabei vom aktuellen Betriebszustand des Betriebsgerätes abhängen. Mögliche durch die Heizsteuerschaltung 13 veranlasste Aktionen in dem Betriebsgerät sind beispielsweise das Abschalten des Halbbrückenwechselrichters 20.
In 3 wird die Schaltung 10 zum Beheizen einer ersten Wendel W1 einer Lampe LA eingesetzt. Die 3 zeigt auch einen zweiten Zweig mit einer zweiten Sekundärspule L1'3 zu einer zweiten Wendel W2 der Lampe LA. Auf die zweite Sekundärspule L1'3 wird ebenfalls nach dem Transformatorprinzip elektrische Energie von der Primärspule L1'1 zur Heizung der Wendel W2 übertragen. In der dargestellten Schaltung kann die Flussspannung U_f2 an einer Diode D2 dann analog zu der Flussspannung U_f an der Diode D1 gemessen werden. Dazu kann eine zweite Berechnungseinheit 12' bereitgestellt werden, die aus einer zweiten Anodenspannung und einer zweiten Kathodenspannung die Flussspannung U_f2 berechnet. Alternativ kann diese Berechnung auch durch die Berechnungseinheit 12 oder die Überwachungsschaltung 11 erfolgen.
4a und 4b zeigen zwei alternative Speisungs-Anordnungen der Schaltung 10 aus 1. In 4a wird beispielsweise die Primärseite des Koppelelements ausgehend von der Mittenpunktspannung des Halbbrückenwechselrichters 20 (oder eines Vollbrückenwechselrichters) gespeist. Alternativ, wie in 4b dargestellt, kann die Primärseite auch von einer den Halbbrückenwechselrichter 20 speisenden DC-Spannung, bzw. einer durch eine PFC-Schaltung 30 mit Schalter bereitgestellte Zwischenkreisspannung, versorgt sein.
5 zeigt in einem Diagramm eine Zunahme des Drain-Source-Widerstands R_{ds_on} eines Halbleiterschalters in Abhängigkeit von der Temperatur. Der Source-Channel-Widerstand R_{ds_on} erhöht sich mit steigender Temperatur auch der Spannungsabfall U_FET steigt an, wenn der Halbleiterschalter S1 geschlossen wird. Wenn der Spannungsabfall U_FET einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt, kann die Überwachungsschaltung 11 den Dimmpegel z. B. auf 100% (keine Dimmung) anheben, wodurch die Heizschaltung (der Flyback-Konverter) ausgeschaltet wird. Der Spannungsabfall U_FET an dem elektronischen Schalter kann, wie bereits gesagt, gemessen werden, wenn der Schalter S1 geschlossen ist.
6 zeigt in einem U/I-Diagramm für eine Diode (z. B. die Diode D1 oder D2) die Abnahme einer Flussspannung U_f einer Diode bei verschiedenen Temperaturen T_j. Die Flussspannung U_f der Diode (U_An – U_Kath) sinkt mit zunehmender Temperatur. Wenn U_f z. B. unter einen Schwellwert sinkt, kann die Überwachungsschaltung 11 den Dimmpegel z. B. auf zu 100% (keine Dimmung) anheben, wodurch die Heizschaltung (der Flyback-Konverter) ausgeschaltet wird. Die U_f kann, wie bereits gesagt, ermittelt werden, wenn der elektronische Schalter geöffnet ist.
Die Erfindung lässt sich dabei auf sämtliche primärseitig getaktete und galvanisch getrennte Koppelschaltungen in Betriebsgeräten für Leuchtmittel (bspw. auch OLED, Halogen oder LED) anwenden.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Betriebsgerät für Leuchtmittel, z. B. OLED, Halogenlampen oder LED, bereit mit einer getakteten Speiseschaltung, die aufweist: ein galvanisch getrenntes und vorzugsweise aktiv mittels eines Schalters getaktetes Koppelelement vorgesehen ist, das eine Energie von einer mit Spannung versorgten Primärseite zu einer Sekundärseite überträgt, die mit einer zu speisender Last verbunden ist, wobei das Koppelelement primärseitig und/oder sekundärseitig wenigstens ein Halbleiterbauteil als Teil der Speiseschaltung aufweist, und eine Überwachungsschaltung, die dazu eingerichtet ist, eine Temperatur an dem wenigstens einen Halbleiterbauteil indirekt, mittels eines elektrischen Parameters, und/oder direkt mittels eines Temperatursensors zu erfassen und abhängig von der erfassten Temperatur den Dimmpegel der Leuchtmittel und mittelbar oder unmittelbar die übertragene Leistung zu verändern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 00/72640 A1 [0005]
WO 00/72642 [0006]
WO 2009/000475 A2 [0007]
US 2011/068715 A1 [0008]
EP 2312912 A2 [0009]
WO 2006/111263 [0010]
WO 2006/111163 [0011]

Claims

Schaltung zur Heizung wenigstens einer Wendel einer dimmbaren Gasentladungslampe, aufweisend: – ein galvanisch getrenntes und vorzugsweise aktiv mittels eines Schalters getaktetes Koppelelement vorgesehen ist, das eine Heizenergie von einer mit Spannung versorgten Primärseite zu einer Sekundärseite überträgt, die mit der zu heizenden Wendel verbunden ist, wobei das Koppelelement primärseitig und/oder sekundärseitig wenigstens ein Halbleiterbauteil aufweist, und – eine Überwachungsschaltung, die dazu eingerichtet ist, eine Temperatur an dem wenigstens einen Halbleiterbauteil indirekt, mittels eines elektrischen Parameters, und/oder direkt mittels eines Temperatursensors zu erfassen und abhängig von der erfassten Temperatur den Dimmpegel der Gasentladungslampe und mittelbar oder unmittelbar die übertragene Heizleistung zu verändern.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der erfasste elektrische Parameter ein Spannungs-/Stromwert, ein Widerstandswert, eine Spannungs-/Stromwertänderung, eine Widerstandswertänderung und/oder ein Ergebnis einer Spannungs-/Stromwertberechnung ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Halbleiterbauteil ein primärseitig angeordneter Halbleiterschalter ist, der dazu eingerichtet ist das Koppelelement primärseitig zu takten.
Schaltung nach Anspruch 3, wobei die Überwachungsschaltung dazu eingerichtet ist, die Temperatur an dem Halbleiterschalter durch Messung eines Einschaltwiderstands und/oder eines Spannungsabfalls über den Halbleiterschalter zu ermitteln.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Halbleiterbauteil eine sekundärseitig angeordnete Diode ist, und wobei die Überwachungsschaltung dazu eingerichtet ist eine Flussspannung an der Diode zu ermitteln.
Schaltung nach Anspruch 5, wobei die Überwachungsschaltung dazu eingerichtet ist, die Flussspannung durch eine Messung einer Anodenspannung und einer Kathodenspannung der Diode zu ermitteln.
Schaltung nach Anspruch 6, wobei die Überwachungsschaltung dazu eingerichtet ist, die Anodenspannung der Diode indirekt über ein hinterlegtes Wicklungsverhältnis des Koppelelements und die Spannung zu ermitteln.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Überwachungsschaltung dazu eingerichtet ist, den Dimmpegel zu erhöhen und gleichzeitig die übertragene Heizenergie zu senken, oder umgekehrt.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Überwachungsschaltung dazu eingerichtet ist, die übertragene Heizenergie durch ein Verändern der Taktung des Halbleiterbauteils und/oder durch Verändern, z. B. einem Absenken oder Anheben, einer der Schaltung zugeführten Spannung, z. B. einer Busspannung, zu verändern.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Überwachungsschaltung dazu eingerichtet ist, die übertragene Heizenergie und/oder den Dimmpegel abhängig von wenigstens einem vorgegebenen Schwellwert für die erfasste Temperatur zu verändern.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Überwachungsschaltung dazu eingerichtet ist, den Dimmpegel und die übertragene Heizenergie auf einen Abgleich der erfassten Temperatur mit einer hinterlegten Tabelle, z. B. einer Lookup-Tabelle, und/oder auf Auswertung einer Hinterlegten Funktion hin zu verändern.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Überwachungsschaltung mittels Hardware, z. B. mittels eines ASICs, implementiert ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Tabelle, die Funktion und/oder das Wicklungsverhältnis in der Überwachungsschaltung hinterlegt sind.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Überwachungsschaltung dazu eingerichtet ist, den gemessenen Einschaltwiderstand des Halbleiterschalters und/oder den Spannungsabfall über den Halbleiterschalter und einen weiteren Parameter von einem weiteren Halbleiterbauteil über denselben Zugangspunkt der Überwachungsschaltung zu erfassen, und wobei die Messung des Einschaltwiderstands und/oder des Spannungsabfalls bei geschlossem Halbleiterschalter und die Ermittlung weiteren Parameters bei geöffnetem Halbleiterschalter erfolgt.
Schaltung nach Anspruch 14, wobei das weitere Halbleiterbauteil die Diode und der weitere Parameter die Flussspannung an der Diode ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Koppelelement einen Sperrwandler, insbesondere einen Flyback-Konverter, umfasst.
Betriebsgerät für Leuchtmittel, aufweisend eine Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Betriebsgerät nach Anspruch 17, bei dem die Primärseite des Koppelelements ausgehend von der Mittenpunktspannung eines Halbbrücken- oder Vollbrücken-Wechselrichters gespeist ist, oder von einer den Wechselrichter speisenden DC-Spannung versorgt ist.
Verfahren zur Reizung wenigstens einer Wendel einer dimmbaren Gasentladungslampe, wobei ein galvanisch getrenntes und vorzugsweise aktiv mittels eines Schalters getaktetes Koppelelement eine Heizenergie von einer mit Spannung versorgten Primärseite zu einer Sekundärseite überträgt, die mit der zu heizenden Wendel verbunden ist, wobei das Koppelelement primärseitig und/oder sekundärseitig wenigstens ein Halbleiterbauteil aufweist, und wobei – eine Überwachungsschaltung eine Temperatur an dem wenigstens einen Halbleiterbauteil indirekt, mittels eines elektrischen Parameters, und/oder direkt mittels eines Temperatursensors erfasst und abhängig von der erfassten Temperatur den Dimmpegel der Gasentladungslampe und mittelbar oder unmittelbar die übertragene Heizleistung verändert.
Integrierte, vorzugsweise digitale Steuerschaltung, wie bspw. ASIC oder Mikrokontroller, die zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 19 ausgebildet ist.