-
Technisches
Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Schaltungsvorrichtung zum Betreiben einer Lampe, insbesondere
einer Niederdruckentladungslampe, mit einer Wechselrichtereinrichtung,
die mindestens eine Transistorschalteinheit aufweist, zum Versorgen
der Lampe mit Wechselstrom und einer Strombegrenzungseinrichtung,
die an die mindestens eine Transistorschalteinheit angeschlossen
ist, zur Begrenzung des Stroms durch die Transistorschalteinheit. Darüber hinaus
betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren
zum Betreiben einer Lampe.
-
Niedervoltentladungslampen werden
typischerweise mit Hilfe eines elektronischen Vorschaltsgeräts (EVG)
betrieben. In ihm wird der zum Betrieb der Lampe notwendige Wechselstrom
in der Regel durch bekannte Halbbrückenwechselrichter erzeugt. Mit
der Halbbrücke
wird ein Lastkreis, der eine oder mehrere Lampen umfasst, betrieben.
Der Lastkreis umfasst induktive und kapazitive Elemente, wodurch sich
eine vorgegebene Lastkreisresonanzfrequenz ergibt.
-
Bei selbstschwingenden Resonanzkreisen stellt
sich je nach Schaltungskonzept im Leerlauf, d.h. bei dem EVG in
der Zündphase
der Lampe, ein Betrieb bei der Resonanzfrequenz ein. In diesem Fall wird
der Resonanzstrom allein durch die Güte des Schwingkreises bestimmt.
Bei hoher Güte
führt dies zu
einer sehr hohen Bauteilebelastung, da sehr hohe Ströme auftreten.
-
Stand der Technik
-
Die Zündspannung zum Zünden einer
Lampe mittels eines Resonanzkreises und der damit verbundene Blindstrom
vor dem Zünden
läßt sich
nur durch das Sättigungsverhalten
der Resonanzinduktivität
oder durch Herabsetzen der Güte
des Resonanzkreises begrenzen. Bislang wurde deshalb die Leerlaufspannung
durch eine Resonanzdrossel begrenzt deren Sättigung bewußt niedrig
gewählt
wurde. Diese Maßnahme
führt zu
einer zusätzlichen
Erhöhung
des Resonanz-Stromes. Die Begrenzung des Stroms erfolgt durch eine
unter Umständen
bewußt
verschlechterte Güte
des Resonanzkreises. Diese Verschlechterung erfolgt jedoch zu Lasten
des Wirkungsgrads und ist nur für
Geräte
kleinerer Leistung praktikabel.
-
Eine weiterentwickelte Strombegrenzung
ist aus der europäischen
Patentschrift
EP 0
798 952 B1 bekannt. In dem dort beschriebenen EVG ist in
der Emitterleitung eines der Wechselrichtertransistoren die Steuerstrecke
eines Transistors angeordnet. Über
die variierbare Leitfähigkeit
dieser Steuerstrecke wird der wirksame Emitterwiderstand des Wechselrichtertransistors
in Abhängigkeit
des Spannungsabfalls an einem der Resonanzkreisbauteile stetig verändert und
dadurch die Taktfrequenz des Wechselrichters so weit erhöht, dass
wegen der nun stärkeren
Verstimmung gegenüber
der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises eine Verringerung der Leerlaufspannung
im Resonanzkreis bei gleichzeitiger Strombegrenzung erzielt wird.
-
Aus der europäischen Patentanmeldung
EP 0 800 335 A2 ist
eine ähnliche
Strombegrenzungsschaltung bekannt. In die Steuerkreise der Halbbrückenwechselrichtertransistoren
ist jeweils ein Hilfstransistor geschaltet, so dass der Emitterwiderstand jedes
Halbbrückenwechselrichtertransistors
von einer Parallelschaltung gebildet wird, die aus mindestens einem
ohmschen Widerstand und der parallel dazu angeordneten Steuerstrecke
des entsprechenden Hilfstransistors besteht. Dadurch kann der wirksame
Emitterwiderstand beziehungsweise die Rückkopplung des Halbbrückenwechselrichters
in Abhängigkeit
von den Betriebsphasen der Lampe umgeschaltet und so auf einfache
Weise die Taktfrequenz des Halbbrückenwechselrichters in weiten
Grenzen durch die Dimensionierung der Widerstände der erfindungsgemäßen Parallelschaltung
variiert werden. Hier wie auch im vorhergehenden Fall wird der Hilfs transistor
von der Lampenspannung gesteuert, welcher wiederum die Emitterleitung
eines Halbbrückentransistors
steuert.
-
Darstellung
der Erfindung
-
Die Aufgabe der vorliegenden Endung
besteht darin, eine verbesserte Art der Strombegrenzung durch eine
Transistoreinheit einer Wechselrichtereinrichtung zum Betrieb von
Lampen vorzuschlagen.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch
eine Schaltvorrichtung zum Betreiben einer Lampe, insbesondere einer
Niederdruckentladungslampe, mit einer Wechselrichtereinrichtung
zum Versorgen der Lampe mit Wechselstrom, die mindestens eine Transistorschalteinheit
aufweist, und einer Strombegrenzungseinrichtung, die an die mindestens
eine Transistorschalteinheit angeschlossen ist, zur Begrenzung des
Stroms, der durch die mindestens eine Transistorschalteinheit fließt, wobei
mit der Strombegrenzungseinrichtung die Steuerelektrode der mindestens
einen Transistorschalteinheit zur Strombegrenzung ansteuerbar ist.
-
Ferner wird die oben genannte Aufgabe
erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zum Betreiben einer Lampe, insbesondere einer Niederdruckentladungslampe,
durch Erzeugen eines Wechselstroms zum Versorgen der Lampe mittels
mindestens einer Transistorschalteinheit und Begrenzen des Stroms
durch die mindestens eine Transistorschalteinheit, wobei zur Strombegrenzung
die Steuerelektrode der mindestens einen Transistorschalteinheit angesteuert
wird.
-
Die Wechselrichtereinrichtung kann
eine Halbbrücke
aus der mindestens einen Transistoreinheit und einer weiteren Transistoreinheit
umfassen. Damit kann der Wechselrichter sehr kostengünstig aus
nur zwei aktiven Bauelementen hergestellt werden. Gegebenenfalls
können
die Transistoreinheiten jeweils aus MOSFET-Transistoren bestehen.
-
Die Lampe wird vorzugsweise in einem
Lastkreis betrieben, der an die Wechselrichtereinrichtung angeschlossen
ist. Vorzugsweise umfasst dieser Lastkreis eine LC-Resonanzschaltung
zum Betreiben der Lampe mit definierter Resonanzfrequenz sowie einen
Koppelkondensator zur Unterdrückung
von Gleichstromanteilen.
-
Zur kostengünstigeren Ausführung umfasst die
Schaltungsvorrichtung eine an die Wechselrichtereinrichtung angeschlossene
Phasenstellereinrichtung, um die Betriebsfrequenz der Wechselrichtereinrichtung
an eine Resonanzfrequenz des Lastkreises anzupassen. Damit kann
eine für
den Zündvorgang notwendige
Spannungsüberhöhung erreicht
werden. Die Phasenstellereinrichtung kann hierzu an eine Steuerelektrode
der mindestens einen Transistorschalteinheit angeschlossen werden,
so dass der Schaltvorgang in den Transistoren der Wechselrichtereinrichtung
an die Lastkreisresonanz angepasst wird.
-
Vorteilhafterweise liegt die Strombegrenzungseinrichtung
parallel zu der Phasenstellereinrichtung an der Steuerelektrode
eines Transistors der Wechselrichtereinrichtung. Damit wird die
Amplitude des Lampenstroms über
die Steuerelektrode des Transistors reguliert, indem die Schaltfrequenz
angepasst wird.
-
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die
Strombegrenzungseinrichtung eine Schalteinrichtung umfasst, durch
die mindestens eine Transistorschalteinheit in Abhängigkeit
von dem Strom durch die mindestens eine Transistorschalteinheit
abschaltbar ist. So kann beispielsweise als derartige Schalteinrichtung
ein Transistor verwendet werden, der wiederum die Transistorschalteinheit
der Wechselrichtereinrichtung an- beziehungsweise abschaltet.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
Die vorliegende Erfindung wird nun
anhand der beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert,
in denen zeigen:
-
1 die
Einhüllende
des Spannungsverlaufs an einer Lampe mit einem elektronischen Vorschaltgerät;
-
2 die
Einhüllende
des Strom- und Spannungsverlaufs an einer Lampe mit einem elektronischem
Vorschaltgerät
gemäß dem Stand
der Technik
-
3 die
Einhüllende
des Strom- und Spannungsverlaufs an einer Lampe mit erfindungsgemäßem elektronischem
Vorschaltgerät;
-
4 den
Stromverlauf am Schalttransistor des Wechselrichters innerhalb eines
Schaltzyklus; und
-
5 einen
Schaltplan zu einer erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung.
-
Bevorzugte Ausführung der
Erfindung
-
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele
stellen bevorzugte Ausführungformen der
vorliegenden Erfindung dar.
-
Zur Verdeutlichung der Erfindung
ist in 1 der Verlauf
der Einhüllenden
von der Spannung beim Zünden
von Niederdruck-Entladungslampen dargestellt. Nach dem Anschaltvorgang
steigt die Spannung bis zu dem Wert, bei dem die jeweilige Lampe zündet. Dieser
Wert wird zum Zeitpunkt t1 erreicht. Die Zündphase ist i.d.R in weniger
als einer Millisekunde abgeschlossen. Nach dem Zünden sinkt die Spannung über der
Lampe auf das Niveau der Glimmentladung ab. Die Glimmphase kann
bei nicht vorgeheizten Wendeln Zeiten von einer Sekunde überschreiten.
Das Spannungsniveau während
der Glimmentladung liegt deutlich über dem Niveau im Nennbetrieb
UB.. Zum Zeitpunkt t2 sinkt die Lampenspannung auf das Betriebsniveau.
Sollte die Lampe nicht innerhalb einer Zeit tglimm,max in den Nennbetrieb
wechseln, so spricht ebenfalls die Sicherheitsabschaltung des Gerätes an,
um die Bauteile zu schützen.
-
Falls die Lampe nicht zündet, schaltet
eine Schutzschaltung das elektronische Vorschaltgerät ab (s. 2). Dies dient zum Schutz
der Halbbrücken- oder
Wechselrichtertransistoren, da diese den hohen Strom nur für ein kurzes
Zeitintervall tzünd
ohne dauerhaften Schaden führen
können.
I.d.R. ist sind die Zeitintervalle tzünd und tglimm,max schaltungstechnisch
mit einander verknüpft,
so dass eine schutzbedingte kurze Zeit tzünd auch die Glimmphase begrenzt.
Weiterhin muss das elektronische Vorschaltgerät sicherstellen, dass die Leerlaufspannung
U0 einen in den Sicherheitsnormen festgelegten Grenzwert nicht überschreitet.
-
Entscheidend für eine sichere Zündung und eine
gute Lampenlebensdauer ist es, die Bauteilebelastung durch geringe
Ströme
zu minimieren und dadurch eine lange Glimmphase realisieren zu können. Gleichzeitig
muss die Leerlaufspannung U0 innerhalb der Sicherheitsnormen auf
günstige
Werte begrenzt werden. In herkömmlichen
Schaltungen wird die Zündspannung
durch eine bewusste Reduzierung der Sättigungsgrenze der Resonanzdrossel
begrenzt. Diese Maßnahme
führt jedoch
zu hohen Strömen
im Wechselrichter. In 2 ist
der Einsatz der Sättigung
im Strom i durch isat und in der Spannung u durch Usat gekennzeichnet.
-
Erfindungsgemäß wird daher in der Zündphase
die Zündspannung
derart reduziert, dass der Strom in der Halbbrücke sinkt und die Zündphase deutlich
verlängert
werden kann, ohne dass das elektronische Vorschaltgerät Schaden
nimmt. Diese Verlängerung
ist in 3 angedeutet.
Auch hier steigt zunächst
nach dem Anschalten die Spannung auf U02 an. Dieser Wert liegt deutlich
unterhalb des Werts von U01 gemäß dem Stand
der Technik. Wegen des nicht linearen Strom- Spannungszusammenhangs
steigt bei der Begrenzung auf U02 der Strom durch die Transistoren
nur auf I2 an. Diese deutliche Stromreduzierung erlaubt eine ebenso deutliche
Verlängerung
der Maximaldauer der Zündphase.
Die typischerweise eingesetzten Transistoren nehmen also auch nach
tzünd2
noch keinen Schaden, da durch sie lediglich ein Strom von I2 fließt. Spätestens
nach tzünd2
wird das elektronische Vorschaltgerät abgeschaltet, wenn es nicht
zur Zündung der
Lampe kommt. Falls die Lampe jedoch spätestens zum Zeitpunkt tzünd2 zündet, fällt auch
hier die Spannung auf die Glimmspannung von Uglimm ab. Die gegenüber tzünd1 stark
verlängerte
Zündzeit
ermöglicht
auch eine proportional verlängerte
Glimmphase tglimm,max und es lassen sich Lampen mit Glimmphasen
von über
einer Sekunde sicher starten.
-
Die nachfolgend im Zusammenhang mit 5 dargestellte Schaltungsanordnung
führt durch aktive
Rückkopplung
zu der gewünschten
Strombegrenzung bei erhöhtem
Lampen wirkungsgrad. Die Schaltung in 5 zeigt
eine Lampe LA. Sie wird durch eine Halbbrücke bestehend aus den MOSFET-Transistoren
T1 und T2 sowie dem Kondensator C1 gebildet. Die beiden Transistoren
T1 und T2 sind in Reihe geschaltet, während der Kondensator C1 parallel
zum Transistor T1 geschaltet ist. Eine Induktivität L1-A ist
zwischen den Verbindungspunkt der beiden Transistoren T1 und T2
sowie den Kondensator C1 geschaltet. Sie bildet zusammen mit dem
Kondensator C1 einen Resonanzkreis, der die Leerlauffrequenz beziehungsweise
die Frequenz in der Zündphase
vorgibt. Die Lampe LA ist parallel zu dem Kondensator C1 geschaltet,
wobei zwischen der einen Elektrode der Lampe LA und der einen Elektrode
des Kondensators C1 ein Koppelkondensator C2 angeordnet ist, der
Gleichanteile aus der Stromversorgung ausfiltert. Die Eigenschaften
des Lastkreises der Halbbrücke
werden damit neben der Lampe LA durch die Bauelemente L1-A, C1,
und C2 bestimmt.
-
Der Transistor T2 ist über einen
Widerstand R1 mit Masse verbunden. Dieser Widerstand R1 dient neben
anderen Steueraufgaben dazu, durch Verstimmen des Resonanzkreises
L1, C1 eine sogenannte Resonanzkatastrophe, bei der sehr hohe Ströme entstehen,
zu verhindern.
-
Zwischen das Gate des Transistors
T2 und Masse ist eine sogenannte Phasenstellerschaltung geschaltet.
Diese Phasenstellerschaltung bewirkt, dass die Frequenz der Halbbrücke an die
Resonanzfrequenz des Lastkreises angepasst wird. Die Phasenstellerschaltung
besteht aus einer Parallelschaltung eines Widerstandes R2, eines
Kondensators C2 und einer Spule L2. Die Phasendrehung ergibt sich aus
der Dimensionierung der Reaktanzen C2 und L2. Bezüglich der
Phasenstellerschaltung sei auf die Europäische Patentschrift
EP 0 781 077 B1 verwiesen.
-
Die Steuerspannung für das Gate
des Transistors T2 wird durch eine Spule L1-B erzeugt, die mit der
Spule L1-A magnetische gekoppelt ist und somit die von der Halbbrücke erzeugte
Spannung in den Gate-Kreis des Transistors 2 zu dessen Steuerung einkoppelt.
Die Spule L1-B ist hierzu zwischen den Widerstand R2 und Masse geschaltet.
-
Es gilt nun, den Transistor T2 über sein
Gate so zu steuern, dass der durch ihn fließende Strom einen gewissen
Schwellwert nicht übersteigt.
Hierzu wird der Bipolartransistor T3 verwendet, dessen Basis mit
der über
den Widerstand R1 abfallenden Spannung gesteuert wird. Zwischen
die Basis des Transistors T3 und den Widerstand R1 ist eine Zenerdiode
D1 geschaltet, die zusammen mit einem zwischen die Basis des Transistors
T3 und Masse geschalteten Kondensator C3 bewirkt, dass der Transistor
T3 nur in einem höheren
Strombereich, d.h. während
der Zündphase
aktiv ist und den Transistor T2 in jedem Schaltzyklus gegebenenfalls
vorzeitig abschaltet. Dies bewirkt eine Erhöhung der Schaltfequenz. Bei
niedrigeren Spannungen, d.h. während der
Glimm- und Brennphase wird der Transistor T3 nicht aktiviert und
somit auch nicht der Transistor T2 der Halbbrücke zur Strombegrenzung abgeschaltet. Der
Emitter des Transistors T3 ist mit Masse verbunden und der Kollektor
an den Mittelpunkt zweier Zenerdioden D2 und D3, die parallel zu
der Phasenstellerschaltung, d.h. zwischen das Gate des Transistors T2
und Masse, geschaltet sind, angeschlossen.
-
4 zeigt
den Strom im MOSFET-Transistor T2 in der Zündphase. Eine durchgezogenen
Linie beschreibt den Stromverlauf ohne Strombegrenzung eine gestrichelte
Linie beschreibt den Stromverlauf mit erfindungsgemäßer Strombegrenzung.
Die Frequenzerhöhung
der Halbbücke
wird durch das vorzeitige Abschalten bei der Schaltschwelle I2 erreicht. Die
Zyklusdauer tz1 ohne Begrenzerschaltung ist wesentlich länger als
die Zyklusdauer tz2 mit Begrenzerschaltung. Damit der Abschalttransistor
T3 nicht im linearen Bereich arbeitet und damit der MOSFET-Transistor
T2 vollständig
abschaltet, wird der Kondensator C3 eingefügt. Nach dem Zünden der
Lampe LA und anschließender
Glimmphase sinkt der Strom durch den Transistor T2 deutlich unter
die Schaltschwelle I2, so dass die Strombegrenzerschaltung im Dauerbetrieb
der Lampe nicht mehr eingreift.
-
Insgesamt gesehen wird bei der erfindungsgemäßen Schaltung
somit die Betriebsfrequenz der Halbbrücke durch den Phasensteller
R2, C2, L2 an die Resonanzfrequenz des Lastkreises L1-A, C1, C2, LA
angepasst und der durch den Transistor T2 fließende Strom über das
Gate des Transistors T2 durch die Strombegrenzungsschaltung D1,
D2, D3, T3, C3 während
der Zündphase
begrenzt.
-
Das Gate des Transistors T1 wird
ebenfalls durch eine Phasenstellerschaltung angesteuert und auch
die Steuerspannung wird durch eine magnetisch gekoppelte Induktivität erzeugt.
Eine Strombegrenzungsschaltung, wie sie zur Ansteuerung des Gates
des Transistors T2 verwendet wird, braucht zur Ansteuerung des Gates
des Transistors T1 nicht eingesetzt zu werden, da der Entladestrom
aus der Spule L1-A automatisch begrenzt ist, wenn der Ladestrom
begrenzt war. Dies läßt sich
ohne Weiteres aus der Energiebilanz der Spule L1-A herleiten.
-
Die Strombegrenzung durch die entsprechende
Steuerung des Gates des Transistors 2 bewirkt nun, wie bereits angedeutet,
dass der Strom durch die Transistoren T1 und T2 begrenzt wird, so dass
sich deren Lebensdauer deutlich erhöht, und dass die Zündphase
verlängert
werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Schaltung können damit
auch Lampen gezündet
werden, die eine wesentlich längere
Zündphase
als die maximale Dauer der Zündphase
von herkömmlichen
elektronischen Vorschaltgeräten
besitzen.