-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Betreiben von Leuchtstofflampen gemäß des Oberbegriffs des Patentanspruchs
1 und ein Vorschaltgerät zur
Durchführung
des Verfahrens.
-
I. Stand der Technik
-
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise
in der Patentschrift
EP
0 422 255 B1 offenbart. Diese Schrift beschreibt ein elektronisches
Vorschaltgerät zum
Betreiben von Leuchtstofflampen, das eine Helligkeits- und Leistungsregelung
der Leuchtstofflampen durch Variieren der Schaltfrequenz der Wechselrichterschalter
ermöglicht.
Um ein Erlöschen
der Leuchtstofflampe bei geringer Helligkeit, das heißt, beim
Betrieb mit nur 1% des Nennlichtstroms, zu verhindern, wird zusätzlich zur
Leistung der momentane Entladungswiderstand der Leuchtstofflampe überwacht
und aus dem bei abnehmender Helligkeit der Leuchtstofflampe anwachsenden
Entladungswiderstands eine Hilfsregelgröße für die Steuerung der Wechselrichterschalter
abgeleitet.
-
Es hat sich gezeigt, dass bei Leuchtstofflampen
Schwankungen des Betriebszustandes bzw. instabile Betriebszustände auftreten,
wenn ihr Lichtstrom mittels des oben erläuterten Verfahrens auf ca. 25%
bis 10% ihres Nennlichtstroms geregelt wird. Ursache dieser instabilen
Betriebszustände
ist eine nicht-lineare Abhängigkeit
der Leistungsaufnahme der Leuchtstofflampe von der Frequenz des
vom Wechselrichter generierten Stroms. Im ungünstigen Fall können in
dem vorgenannten Bereich bereits geringste Änderungen der Schaltfrequenz
des Wechselrichters und damit der Frequenz des durch die Brückenschaltung
fließenden
Stroms starke Änderungen
der Lampenleistung bewirken.
-
II. Darstellung der Erfindung
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung,
ein Verfahren zur stabilen Regelung der Leistungsaufnahme und der
Helligkeit von Leuchtstofflampen bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte
Ausführungen
der Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen
beschrieben.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben
von Leuchtstofflampen mit Hilfe eines Vorschaltgerätes, das
einen Wechselrichter mit Halbleiterschaltern, die in einer Brückenschaltung
angeordnet sind, und mit einer Steuervorrichtung für die Halbleiterschalter
und mindestens einen an den Wechselrichter angeschlossenen, als
Resonanzkreis ausgebildeten Lastkreis aufweist, in dem mindestens
eine Leuchtstofflampe betrieben wird, wobei die mindestens eine
Leuchtstofflampe von dem Wechselrichter mit einem hochfrequenten
Strom beaufschlagt wird und die Leistungsaufnahme der mindestens
einen Leuchtstofflampe mittels einer ersten Regelschleife durch
Variieren der Frequenz des hochfrequenten Stroms auf einen vorgebbaren
Wert eingestellt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass mittels einer
zweiten Regelschleife die in kürzeren
Zeitintervallen durchlaufen wird als die erste Regelschleife, die
Leistungsaufnahme der mindestens einen Leuchtstofflampe auf den
vorgebbaren Wert stabilisiert wird. Die zweite Regelschleife gewährleistet,
dass die Leuchtstofflampen auch in dem kritischen Leistungsbereich,
der ca. 25% bis 10% ihres Nennlichtstroms entspricht, sicher betrieben
werden können,
ohne das Auftreten von erheblichen Schwankungen der Leistungsaufnahme
bzw. Helligkeit der Leuchtstofflampen. Die zweite Regelschleife
wird in deutlich kürzeren
Zeitintervallen, als die erste Regelschleife durchlaufen und kann
daher schnellen Änderungen
der Leistungsaufnahme der Leuchtstofflampen, wie sie in dem vorgenannten
kritischen Bereich auftreten können,
entgegensteuern. Die Zeitintervalle zum Durchlaufen der zweiten
Regelschleife betragen vorteilhafterweise 50 μs bis 200 Eis, während die
Zeitintervalle zum Durchlaufen der ersten Regelschleife mit vorzugsweise
1 ms bis 2 ms deutlich länger
sind.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird vorteilhafterweise zur Durchführung der ersten Regelschleife
ein in seiner Größe einstellbarer
Sollwert in vorgegebenen Zeitabständen mit einem Istwert verglichen,
der aus der zeitlich gemittelten Leistungsaufnahme der mindestens
einen Leuchtstofflampe abgeleitet wird, und daraus ein erster Stellwert
für die Steuervorrichtung
gebildet, während
zur Durchführung
der zweiten Regelschleife in vorgegebenen Zeitintervallen, die kürzer als
die Zeitabstände
der ersten Regelschleife sind, die Änderung der Leistungsaufnahme
der mindestens einen Leuchtstofflampe zur Erzeugung eines zweiten
Stellwertes für
die Steuervorrichtung ausgewertet wird, und beide Stellwerte zum
Erzeugen von Steuersignalen für
die Regelung der Schaltfrequenz der Halbleiterschalter ausgewertet
werden. Auf diese Weise kann mittels der ersten Regelschleife bei
den Leuchtstofflampen die gewünschte
Leistungsaufnahme und Helligkeit eingestellt werden und mittels
der zweiten Regelschleife unerwünschte
Schwankungen der Leistungsaufnahme der Leuchtstofflampen, insbesondere
in dem obengenannten kritischen Betriebsbereich, verhindert werden.
Vorteilhafterweise werden die Regelgrößen sowohl für die erste
als auch für
die zweite Regelschleife aus dem durch die Brückenschaltung fließenden Strom
abgeleitet, weil der zeitliche Mittelwert dieses Stroms proportional
zur Leistungsaufnahme der Leuchtstofflampen ist. Die Regelgrößen, das heißt, die
Istwerte, beider Regelschleifen werden beispielsweise mittels Tiefpassfilter
aus dem über
die Brückenschaltung
fließenden
Strom abgeleitet, wobei die Zeitkonstante des zur zweiten Regelschleife gehörenden zweiten
Tiefpassfilters kleiner als die Zeitkonstante des zur ersten Regelschleife
gehörenden
ersten Tiefpassfilters ist. Die Zeitkonstanten sind jeweils an die
obengenannten Zeitintervalle der Regelschleifen angepasst. Vorzugsweise
werden die Funktionen der beiden Tiefpassfilter von jeweils einem
digitalen Filter übernommen,
die mit unterschiedlichen, an die obengenannten Zeitintervalle angepassten
Abtastfrequenzen arbeiten. Durch die Verwendung digitaler Filter
vereinfacht sich der Aufbau der Schaltungsanordnung, weil sie als
Bestandteil eines Mikroprozessors ausgebildet werden können.
-
Vorteilhafterweise ist die zweite
Regelschleife als ein Soll-Istwertvergleich ausgebildet, der in
vorgegebenen Zeitintervallen fortlaufend wiederholt wird, wobei
am Ende eines jeden Zeitintervalls aus dem durch die Brückenschaltung
fließenden Strom ein
Istwert abgeleitet wird und dieser mit dem als Sollwert dienenden
Istwert des unmittelbar vorangegangenen Zeitintervalls verglichen
wird, um daraus den zweiten Stellwert für die Steuervorrichtung des Wechselrichters
zu generieren.
-
Das erfindungsgemäße Vorschaltgerät weist einen
Wechselrichter mit Halbleiterschaltern, die in einer Brückenschaltung
angeordnet sind, eine Steuervorrichtung für die Halbleiterschalter und
mindestens einen an den Wechselrichter angeschlossenen, als Resonanzkreis
ausgebildeten Lastkreis mit Anschlüssen für mindestens eine Leuchtstofflampe
auf, wobei die Steuervorrichtung Mittel zur Variation der Schaltfrequenz
der Halbleiterschalter besitzt, um die Leistungsaufnahme der mindestens
einen Leuchtstofflampe auf einen vorgebbaren Wert einzustellen, und
die Steuervorrichtung Mittel zur Stabilisierung der Leistungsaufnahme
der mindestens einen Leuchtstofflampe auf den vorgebbaren Wert besitzt.
-
Die Mittel zur Stabilisierung der
Leistungsaufnahme der mindestens einen Leuchtstofflampe sind vorzugsweise
als Differential-Regler, auch D-Regler genannt, ausgebildet, der
in vorgegebenen Zeitintervallen die Änderung der Leistungsaufnahme der
mindestens einen Leuchtstofflampe überwacht und in Abhängigkeit
davon einen Stellwert für
die Steuervorrichtung zur Stabilisierung der Leistungsaufnahme auf
den vorgebbaren Wert generiert. Zum Einstellen der Helligkeit bzw.
Leistungsaufnahme der mindestens einen Leuchtstofflampe auf den
gewünschten
Wert weist das erfindungsgemäße Vorschaltgerät vorzugsweise
einen, im Vergleich zum D-Regler langsamen Proportional-Integral-Regler, auch
PI-Regler genannt, auf, der die zeitlich Bemittelte Leistungsaufnahme
der mindestens einen Leuchtstofflampe mit einem vorgebbaren Sollwert
vergleicht. Beide Regler sind vorteilhafterweise als Bestandteil
eines Mikroprozessors ausgebildet, der wiederum Bestandteil der
Steuervorrichtung ist. Die von beiden Reglern generierten Stellwerte
werden überlagert
und in einem digitalen Datenregister des Mikroprozessors gespeichert.
-
III. Beschreibung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels
-
Nachstehend wird die Erfindung anhand
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
-
1 Eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Vorschaltgerätes
-
2 Eine
schematische Darstellung der Abhängigkeit
des Halbbrückenstroms
von der Frequenz des Wechselrichters
-
In der
1 ist
schematisch der Aufbau eines erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgerätes zum
Betreiben von einer Leuchtstofflampe dargestellt. Dieses Vorschaltgerät besitzt
einen Halbbrückenwechselrichter
mit zwei Halbschaltern, insbesondere Transistoren T1, T2, einer
Steuervorrichtung ST für
die Halbleiterschalter T1, T2 und zwei Anschlüssen +, – für die Gleichspannungsversorgung des
Halbbrückenwechselrichters.
An den Mittenabgriff M des Halbbrückenwechselrichters ist ein
als Resonanzkreis ausgebildeter Lastkreis angeschlossen. Der Lastkreis
umfasst die Resonanzinduktivität L1,
den Resonanzkondensator C1, den Koppelkondensator C2, den parallel
zum Koppelkondensator C2 angeordneten Entladewiderstand R1 und Anschlüsse für die Elektrodenwendeln
E1, E2 einer Leuchtstofflampe LP. Die Leuchtstofflampe LP ist derart
in dem Lastkreis angeordnet, dass ihre Entladungsstrecke parallel
zu dem Resonanzkondensator C1 geschaltet ist und die Elektrodenwendeln
E1, E2 in Serie zu dem Resonanzkondensator C1 geschaltet sind. Diese
Schaltungsanordnung ist beispielsweise in der Patentschrift
EP 0 422 255 B1 offenbart.
Die Halbleiterschalter T1, T2 werden mittels der Steuervorrichtung
ST alternierend aktiviert und deaktiviert, so dass der Lastkreis
und die Lampe LP mit einem hochfrequenten Strom beaufschlagt werden,
dessen Frequenzen im Bereich von ca. 40 kHz und 150 kHz liegen.
Die zum Zünden
der Gasentladung in der Leuchtstofflampe LP erforderliche Zündspannung wird
mittels der Methode der Resonanzüberhöhung am
Resonanzkondensator C 1 bereitgestellt. Zu diesem Zweck wird die
Schaltfrequenz der Halbleiterschalter T1, T2 und damit auch die
Frequenz des Stroms im Lastkreis auf einen Wert nahe der Resonanzfrequenz
der Resonanzbauteile L1, C1 eingestellt. Nach erfolgter Zündung der
Gasentladung in der Leuchtstofflampe LP wird der als Resonanzkreis ausgebildete
Lastkreis durch die Impedanz der nun leitfähigen Entladungsstrecke zwischen
den Elektroden E1, E2 der Leuchtstoff Lampe LP bedämpft. Die Impedanz
der Entladungsstrecke der Leuchtstofflampe LP und ihre Leistungsaufnahme
sind abhängig von
der Frequenz des durch die Lampe LP fließenden Stroms. Diese Tatsache
kann zur Regelung der Leistungsaufnahme der Leuchtstofflampe und
damit auch zu ihrer Helligkeitsregelung ausgenutzt werden, indem
die Schaltfrequenz der Halbleiterschalter T1, T2 mittels der Steuervorrichtung
ST entsprechend variiert wird, so dass sie einen mehr oder minder
großen
Abstand zur Resonanzfrequenz des bedämpften Resonanzkreises besitzt.
-
Zur Überwachung der Leistungsaufnahme der
Leuchtstofflampe LP wird mittels zweier Tiefpassfilter R3, C3 und
R4, C4 der durch den Widerstand R2 fließende Halbbrückenstrom
ausgewertet, da der durch den Widerstand R2 fließende Halbbrückenstrom
während
einer Halbwelle – nämlich bei
geschlossenem Schalter T2 – mit
dem durch die Leuchtstofflampe LP fließenden Strom identisch ist. Der
als Integrationsglied wirkende erste Tiefpassfilter R3, C3 bildet
am Kondensator C3 einen über
mehrere der obengenannten Halbwellen Bemittelten Spannungsabfall,
der proportional zur Leistungsaufnahme der Leuchtstofflampe LP ist
und als Istwert für
eine erste Regelschleife zur Helligkeitsregelung und Regelung der
Leistungsaufnahme der Leuchtstofflampe dem Eingang des Proportional-Integral-Reglers
IR zugeführt
wird. Dieser Istwert wird in dem Proportional-Integral-Regler IR
mit einem vorgebbaren Sollwert SW verglichen, der der Steuervorrichtung
ST von außen,
beispielsweise von einem Dimm-Potentiometer oder einer anderen Dimm-Vorrichtung,
vorgegeben wird. Der Sollwert SW repräsentiert die gewünschte Helligkeitsstufe
oder Leistungsstufe der Leuchtstofflampe LP. In Abhängigkeit
von dem Soll-Istwertvergleich ermittelt der Proportional-Integral-Regler
IR einen ersten Stellwert zur Steuerung der Schaltfrequenz der Halbleiterschalter
T1, T2. Der erste Stellwert wird in dem 14 Bit-Datenregister S1 gespeichert und von
der Treiberschalter TR ausgelesen, die Steuersignale für die Basis-
bzw. -Gate-Elektrode der Halbleiterschalter T1, T2 generiert. Die
erste Regelschleife wird in Zeitabständen von jeweils 1 ms ausgeführt. Das
. heißt,
nach jeweils 1 ms wird mittels des ersten Tiefpasses R3, C3 ein
neuer Istwert in den Proportional-Integral-Regler IR eingespeist,
mit dem vorgebbaren Sollwert SW verglichen und ein aktualisierter
erster Stellwert in das Datenregister S1 geschrieben.
-
In 2 ist
die Frequenzabhängigkeit
des Halbbrückenstroms
qualitativ dargestellt. Bei der Frequenz f1 besitzt die Leuchtstofflampe
ihre größte Helligkeit
und der Lichtstrom beträgt
daher 100% ihres Nennlichtstroms. Wird die Frequenz erhöht, so nimmt der
Halbbrückenstrom
und damit auch die Leistungsaufnahme sowie der Lichtstrom der Leuchtstofflampe ab.
In dem Frequenzbereich Δf,
der einem Lichtstrom von ca. 25% bis 10% des Nennlichtstroms entspricht, zeigt
der Halbbrückenstrom
eine extrem starke Frequenzabhängigkeit,
so dass in diesem Bereich instabile Betriebszustände auftreten können.
-
Um Oszillationen der Leuchtstofflampe
zwischen mehreren Betriebszuständen
zu vermeiden, wird mittels des zweiten Tiefpassfilters R4, C4, des Differentiellen
Reglers DR, des Datenspeichers S2 und des Datenregisters S1 eine
zweite Regelschleife realisiert, die deutlich schneller durchlaufen
wird als die erste Regelschleife. Mittels des Tiefpassfilters R4,
C4 werden in Zeitintervallen von 100 μs Änderungen des durch den Widerstand
R2 fließenden
Halbbrückenstroms
detektiert. Der Differentielle Regler DR führt in zeitlichen Abständen von
100 μs einen Soll-Istwertvergleich
durch, wobei als Istwert der jeweils aktuelle, vom Tiefpassfilter
R4, C4 ausgewertete Halbbrückenstrom
verwendet wird und als Sollwert der im Datenspeicher S2 temporär gespeicherte
Istwert des jeweils unmittelbar vorangegangenen Zeitintervalls herangezogen
wird. In Abhängigkeit
von dem Soll-Istwertvergleich wird von dem Differentiellen Regler
DR ein zweiter Stellwert generiert, der dem 14 Bit-Datenregister
S1 zugeführt
und zu dem ersten Stellwert addiert wird. Aus der Summe der beiden
Stellwerte ermittelt die Treiberschaltung TR Signale zur Frequenzsteuerung
der Halbleiterschalter T1, T2. Mittels der zweiten Regelschleife
wird der Halbbrückenstrom
und damit die Leistungsaufnahme sowie die Helligkeit der Leuchtstofflampe
auf den gewünschten
Wert stabilisiert.
-
Da Oszillationen zwischen unterschiedlichen Betriebszuständen nur
in dem oben erwähnten
kritischen Betriebsbereich von ca. 25% bis 10% des Nennlichtstroms
der Leuchtstofflampe zu erwarten sind, kann der Differentielle Regler
DR außerhalb dieses
kritischen Betriebsbereiches deaktiviert werden. Dieses geschieht
dadurch, dass der Istwert der zweiten Regelschleife vor dem Soll-Istwertvergleich mit
einem Verstärkungsfaktor
K multipliziert wird, der abhängig
von der gewählten
Helligkeitsstufe, das heißt,
von dem Sollwert SW der ersten Regelschleife, ist. Beim Betrieb
der Leuchtstofflampe LP mit mehr als 25% ihres Nennlichtstroms kann
der Verstärkungsfaktor
K auf Null reduziert werden.
-
Beide Regler IR, DR sind als Algorithmen
eines programmgesteuert arbeitenden Mikroprozessors ausgebildet,
der Bestandteil der Steuervorrichtung ST ist. Gemäß eines
weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
sind das erste C3, R3 und zweite Tiefpassfilter C4, R4 durch jeweils
ein digitales Filter ersetzt, wobei das erste digitale Filter die
Funktion des ersten Tiefpassfilters C3, R3 und das zweite digitale
Filter die Funktion des zweiten Tiefpassfilters C4, R4 übernimmt.
Die digitalen Filter sind als Bestandteil der Steuervorrichtung ST
und insbesondere als Bestandteil des vorgenannten, programmgesteuert
arbeitenden Mikroprozessors ausgebildet. Beide digitalen Filter
werten den durch die Brückenschaltung
fließenden
Strom, das heißt,
den Spannungsabfall am Widerstand R2, aus. Ihre Filtereigenschaften
sind durch die im Mikroprozessor implementierte Software bestimmt.
In allen anderen Details stimmt dieses Ausführungsbeispiel mit dem oben
erläuterten
ersten Ausführungsbeispiel überein.