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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Geräte zum Betreiben von Leuchmitteln mit kapazitiver Charakteristik, wie beispielsweise Elektrolumineszenz-Leuchtmitteln (bspw. Elektrolumineszenz-Folien), mit einer im wesentlichen sinusförmigen Betriebsspannung. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf Verfahren zum Betreiben von Leuchtmitteln mit kapazitiver Charakteristik, wie beispielsweise Elektrolumineszenz(EL)-Leuchtmitteln, mit einer im wesentlichen sinusförmigen Betriebsspannung.
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Elektrolumineszenz-Leuchtmittel, wie beispielsweise Elektrolumineszenz-Folien haben in letzter Zeit eine rasche Entwicklung erfahren und erfreuen sich hoher Beliebtheit bei Anwendungen, in denen eine flächige, in ihrer Form leicht konfigurierbare Beleuchtung gewünscht ist. Elektrolumineszenz-Folien bestehen typischerweise aus einer opaken und einer transparenten flächigen Elektrode, zwischen denen ein beispielsweise phosphordotiertes Dielektrikum eingebracht ist. Derartige Elektrolumineszenz-Folien weisen allgemein eine kapazitive Charakteristik auf. Derartige, im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendbare Elektrolumineszenz-Folien können beispielsweise von den Firmen Durell Corporation (www.durell.com) oder Toshiba (www.toshiba.com) bezogen werden. Hinsichtlich der Eigenschaften der Elektrolumineszenz-Folien wird ausdrücklich auf die einschlägigen Veröffentlichungen dieser Hersteller verwiesen.
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Die Helligkeit derartiger Elektrolumineszenz-Folien ist – in gewissen Grenzen – im wesentlichen proportional zu der Amplitude der anliegenden Wechselspannung, die typischerweise in einem Bereich von 30 bis 200 Volt (Peak-to-Peak) liegt. Üblicherweise werden derartige Leuchtmittel in einem Frequenzbereich von 50 bis 400 Hz, in einigen Fällen auch bis mehreren kHz betrieben.
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Wie gesagt, derartige Elektrolumineszenz-Folien weisen den Charakter einer kapazitiven Last mit einer Kapazität von beispielsweise ein nF/cm2 auf.
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Um eine ausreichend lange Lebensdauer zu gewährleisten, sind derartige Elektrolumineszenz-Folien mit einer Betriebs-Wechselspannung zu versorgen, die im wesentlichen DC-frei sein soll. Dabei ist die Lebensdauer insbesondere desto länger, je weniger Abweichung die Betriebsspannung von einer sinusförmigen Spannung zeigt.
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Eine besondere Problematik besteht bei Elektrolumineszenz-Folien in der Regel darin, daß sie gerne in tragbaren Geräten als Hintergrundbeleuchtung für LCDs verwendet werden. Andererseits weisen diese tragbaren Geräte als Energieversorgung üblicherweise Batterien auf, so daß die Batterie-Gleichspannung mittels einer Treiberschaltung in eine Betriebs-Wechselspannung mit einer Amplitude von beispielsweise 100 Volt und einer Frequenz von bspw. 100 Hz umgesetzt werden muß. Mehrere Firmen bieten integrierte Schaltungen (ICs) an, die derartige Treiberschaltungen implementieren (siehe beispielsweise Sipex Corporation, www.sipex.com).
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Auch aus der
EP 0899989 A2 ist ein Verfahren und ein Gerät zur Ansteuerung einer Elektrolumineszenzlampe ausgehend von einer Batterie-Gleichspannung bekannt.
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Die
US 4,982,314 A zeigt eine Energieversorgungsschaltung für Elektrolumineszenzlampen. Dabei erhöht eine DC-DC-Wandlerschaltung eine niedrige Gleichspannung auf eine höhere Gleichspannung. Ein nachgeschalteter DC-AC-Konverter erzeugt aus der hohen Gleichspannung eine Wechselspannung zum Betrieb von Elektrolumineszenzlampen. Die von dem DC-AC-Konverter erzeugte Wechselspannung entspricht der Betriebsfrequenz der Elektrolumineszenzlampen.
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Aus der
DE 44 10 253 A1 geht eine Energieversorgung für Elektrolumineszenzfolien hervor. Ein Schaltverstärker mit integrierter Glättungsspule erzeugt aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung welche zum Betrieb der Elektrolumineszenzfolien genutzt wird. Der Schaltverstärker erzeugt die Wechselspannung dabei direkt mit der Betriebsfrequenz der Elektrolumineszenzfolien.
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Auch aus der
US 4,859,911 A geht eine Energieversorgung für Elektrolumineszenzlampen hervor. Auch hier wird zunächst eine hohe Gleichspannung aus einer niedrigen Gleichspannung erzeugt. Anschließend erfolgt auch hier eine Umsetzung zu einer Wechselspannung, welche direkt der Betriebsfrequenz der Elektrolumineszenzlampen entspricht.
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Die
EP 0 899 989 A2 zeigt ebenfalls eine Energieversorgung für Elektrolumineszenzlampen. Hier wird durch einen Wechselrichter aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung erzeugt, welche zum Betrieb der Elektrolumineszenzlampen eingesetzt wird. Die Wechselspannung entspricht auch hier direkt der Betriebsfrequenz der Elektrolumineszenzlampen.
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Aufgrund der genannten kapazitiven Kennlinie von Elektrolumineszenz-Folien ist es in der Regel notwendig, eine Strombegrenzungsdrossel vorzusehen. Bei den üblichen, im Verhältnis zu modernen EVGs für Gasentladungslampen niedrigen Betriebsfrequenzen (siehe oben) für Elektrolumineszenz-Folien weisen die entsprechend dimensionierten Drosseln einen verhältnismäßig großen Platzbedarf auf, gerade insbesondere im Vergleich zu denjenigen Drosseln, die bei elektronischen Vorschaltgeräten für Gasentladungslampen bei einer wesentlich höheren Betriebsfrequenz verwendet werden können.
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Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegendne Erfindung, diesem Nachteil abzuhelfen und eine Technik vorzuschlagen, die eine Verringerung des Platzbedarfs für ein Betriebsgerät für Leuchtmittel mit kapazitiver Charakteristik ermöglichen. Insbesondere sollte ermöglicht werden, daß der Platzbedarf der Vorschaltdrossel verringert werden kann.
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Zentrale Idee der vorliegenden Erfindung ist es dabei, daß die Drossel mit einer wesentlich höheren Frequenz als die Arbeitsfrequenz der Leuchtmittel mit kapazitiver Charakteristik, wie beispielsweise Elektrolumineszenz-Folien, betrieben wird.
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Es findet also eine Frequenzumsetzung zwischen der AC-Spannungsquelle und den Leuchtmitteln statt.
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Genauer gesagt wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst, wobei die abhängigen Ansprüche diesen Gedanken in besonders vorteilhafter Weise weiterentwickeln.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist also ein Gerät zum Betreiben von Leuchtmitteln mit kapazitiver Charakteristik, insbesondere Elektrolumineszenz-Leuchtmitteln mit einer im wesentlichen sinusförmigen Betriebsspannung vorgesehen. Dabei versorgt eine HF-Spannungsquelle eine Vorschaltdrossel. Die Betriebsspannung für das Leuchtmittel wird dabei durch Umsetzen der HF-Spannung auf einem Vergleich dazu niedrigere Betriebsspannung erzeugt. Somit kann einerseits die Drossel klein ausgestaltet werden, da sie mit HF-Spannung betrieben wird, während durch die Umsetzung die Leuchtmittel in einem zulässigen (d. h. niedrigeren) Frequenzbereich betrieben werden können.
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Die Mittel zur Erzeugung der Betriebsspannung durch Umsetzen der HF-Spannung können beispielsweise ein Tiefpass-Filter aufweisen. Allerdings sind auch andere, die Frequenz umsetzende Mittel verwendbar.
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Dabei kann einerseits die Kapazität des Leuchtmittels selbst Teil des Tiefpass-Filters sein, so daß die Vorschaltdrossel zusammen mit der Kapazität des Leuchtmittels das Tiefpass-Filter bilden. Andererseits kann auch eine separate zu dem Leuchtmittel vorgesehene Kapazität für das Tiefpass-Filter vorgesehen sein.
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Die HF-Spannungsquelle kann eine bipolare Spannung mit bspw. rechteckigem oder anderem Verlauf bereitstellen, wobei die HF-Spannungsquelle mit einer Frequenz pulsweitenmoduliert (PWM) sein kann, die der in der Regel vorab definierten Betriebsfrequenz des Leuchtmittels entspricht.
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Zur Einstellung der Amplitude der Betriebsspannung für das Leuchtmittel kann das Tastverhältnis der pulsweitenmodulierten HF-Spannung einstellbar sein. Ein „Dimmen” zu den Leuchtmittel erfolgt also durch Einstellen des Tastverhältnisses der pulsweitenmodulierten HF-Spannung bei Beibehaltung der Frequenz der HF-Spannungsquelle, da diese Frequenz ja optimal auf eine möglichst lange Lebensdauer der Leuchtmittel hin ausgelegt sein kann.
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Da allerdings auch die Betriebsfrequenz einen Einfluss auf die Leuchtstärke von EL-Folien hat, kann alternativ oder zusätzlich auch die Frequenz der Pulsweitenmodulation verändert werden, um das Leuchtmittel zu dimmen.
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Weiterhin kann eine Regelschaltung vorgesehen sein, die das Tastverhältnis der pulsweiten modulierten HF-Spannungsquelle abhängig von einer gegebenenfalls erfaßten Differenz der Betriebsspannung von einer zugeführten Referenzspannung einstellt. Die Referenzspannung ist üblicherweise eine sinusförmige Spannung, um sicherzustellen, daß wiederum im Sinne einer langen Lebensdauer der Leuchtmittel auch die Betriebsspannung für die Leuchtmittel möglichst sinusförmig verläuft. Die Amplitude und/oder Frequenz der Referenzspannung kann dabei einstellbar sein, um somit die Amplitude der Betriebsspannung zu regeln. Es wird indessen bevorzugt, nur die Amplitude der Referenzspannung zu verändern.
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Die HF-Spannungsquelle kann eine mit einer Gleichspannung versorgte Vollbrücken- oder Halbbrückenschaltung sein, wobei die Gleichspannung zur Versorgung der HF-Spannungsquelle wiederum durch Gleichrichten einer Netzspannung etc. erzeugt werden kann.
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Für den Fall, daß bei Schaltnetzteilen bekannte Push-Pull-Konverter etc. verwendet werden, kann die HF-Spannungsquelle auch mit einer Batteriespannung versorgt werden.
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Die Frequenz der HF-Spannungsquelle kann in einem Bereich zwischen 20 kHz und mehreren MHz liegen, wobei die Betriebsfrequenz des Leuchtmittels normalerweise in einem Bereich zwischen 100 Hz und mehreren kHz liegt. Gemäß diesem Verhältnis lassen sich die Dimensionen der Vorschaltdrossel verringern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben von Leuchtmitteln mit kapazitiver Charakteristik mit einer im wesentlichen sinusförmigen Betriebsspannung vorgesehen. Dabei wird zuerst eine HF-Spannung erzeugt, die dann tiefpassgefiltert wird, um eine entsprechende Betriebs-Wechselspannung für ein Leuchtmittel mit verringerter Frequenz zu erzeugen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben von Leuchtmitteln mit kapazitiver Charakteristik vorgesehen, wobei eine HF-Spannung erzeugt wird, und ausgehend von dieser HF-Spannung an einem internen Kondensator eine Betriebs-Wechselspannung mit verringerter Frequenz bereitgestellt wird.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden nunmehr durch Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren der begleitenden Zeichnungen näher ersichtlich.
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1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine geregelte Betriebsspannung für Leuchtmittel mit kapazitiven Eigenschaften bereitgestellt wird, wobei die Frequenz der Betriebsspannung niedriger ist als die einer HF-Spannungsquelle,
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1' zeigt schematisch einen alternativen beispielsweisen Verlauf der von der HF-Spannungsquelle erzeugten Spannung, der in dem Ausführungsbeispiel Anwendung finden kann,
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2 zeigt in Diagrammen den Verlauf der bipolaren Rechteckspannung der HF-Spannungsquelle Vq(t) sowie den sich an einem internen Kondensator CL einstellenden Spannungsverlauf VL(t), der gleichzeitig die Betriebsspannung für die Leuchtmittel darstellt, und
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3 zeigt eine Schaltung mit einer HF-Spannungsquelle sowie einem Tiefpass-Filter gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei in dem Ausführungsbeispiel von 3 im Gegensatz zu dem von 1 die gefilterte Spannung nicht geregelt ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft wie schematisch in den 1 und 3 dargestellt eine Schaltung, die alle Anforderungen erfüllt, die ein Vorschaltgerät bspw. für Elektrolumineszenz-Folien erfüllen muß. Es sei bereits jetzt bemerkt, daß sich die vorliegende Erfindung allgemein auf Leuchtmittel mit kapazitiver Charakteristik bezieht und die Elektrolumineszenz-Folien lediglich als Ausführungsbeispiel zu verstehen sind.
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Als weiteres Beispiel für ein Leuchtmittel mit kapazitiver Charakteristik im Sinne der vorliegenden Erfindung sei eine Leuchstofflampe mit parallel geschaltetem Kondensator genannt.
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Die genannten Anforderungen sind bspw.:
- – kapazitive Last,
- – Betriebsfrequenz zwischen 100 Hz und einigen kHz für EL-Folien und mehrere Mhz, bspw. 4 MHz für eine Leuchtstofflampe mit parallel geschaltetem Kondensator,
- – Betriebsspannung (Peak-to-Peak) beispielsweise 100 bis 200 Volt,
- – möglichst sinusförmiger Verlauf der Betriebsspannung.
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Wie aus 1 ersichtlich, ist eine HF-Spannungsquelle HF vorgesehen, die mit Gleichspannung (in 1 nicht dargestellt) versorgt wird. Diese Gleichspannung kann entweder eine DC-Spannung von einer Batterie etc. oder aber eine in an sich bekannter Weise gleichgerichtete Netzspannung sein.
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Als HF-Spannungsquelle kommen bekannte Vollbrücken- und Halbbrückenschaltungen sowie sämtliche anderen im Bereich der Schaltnetzteile bekannten Schaltungen (Push-Pull-Konverter, Durchflußwandler etc.) infrage.
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In dem Ausführungsbeispiel in 1 erzeugt die HF-Spannungsquelle HF eine bipolare Rechteckspannung Vq(t) mit fester Frequenz, aber einstellbarem Tastverhältnis und einem Maximalwert Vmax und einem Minimalwert Vmin. Mit anderen Worten, die bipolare HF-Spannung der HF-Spannungsquelle HF, genauer gesagt das Tastverhältnis, wird mit einer im Vergleich dazu niedrigfrequenten Sinusspannung moduliert.
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Die HF-Spannung kann bspw. einen rechteckförmigen Verlauf, aber auch andere Verläufe aufweisen. In dem Beispiel für einen ebenfalls möglichen Verlauf der HF-Spannung gemäss 1' liegt keine Rechteckspannung im engen Sinne vor. Darüberhinaus pendelt die Spannung nicht um den Nullwert, sondern um einen konstanten DC-Spannungswert.
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Die Periode der HF-Spannung liegt dabei in einer Grössenordnung, die in 1 mit T2 bezeichnet ist.
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Diese modulierte HF-Wechselspannung wird einer Vorschaltdrossel La zugeführt, die im übrigen zusammen mit einem Kondensator CL ein Tiefpass-Filter zweiter Ordnung darstellt. Festzuhalten bleibt, daß die Drossel La mit dieser hochfrequenten Spannung (beispielsweise 10 kHz bis einige MHz) betrieben wird, so daß die Drossel La analog zu EVGs für Gasentladungslampen verhältnismäßig klein dimensioniert werden kann.
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An dem mit der Drossel La in Serie geschalteten Kondensator CL wird die Betriebsspannung VL(t) für das Leuchtmittel EL bereitgestellt.
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Wie gesagt, die Drossel La und der Kondensator CL bilden ein Tiefpass-Filter zweiter Ordnung, das eine sehr hohe Dämpfung bei einer Frequenz f = 1/T2 aufweist. T2 ist dabei eine Zeitkonstante, die durch Dimensionierung der Bauteile des Tiefpass-Filters festgelegt ist und im Bereich der zeitlichen Dauer einer Periode der HF-Spannung liegt. Das Tiefpass-Filter dämpft also gerade die HF-Spannungsanteile, aber nicht die niederfrequenten Modulationsanteile.
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Über dem Kondensator CL entsteht als Betriebsspannung der arithmetische Mittelwert der HF-Spannung über eine HF-Periode von Vq(t). Das Tiefpass-Filter sorgt sozusagen für eine Demodulation der der HF-Spannung aufmodulierten sinusförmigen niederfrequenten Spannung, so dass am Kondensator CL eine im wesentlichen sinusförmige Spannung mit einer Periode T1 anliegt, welche Periode wesentlich grösser ist als die Periode T2 der HF-Spannung.
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Während also einerseits die Drossel La mit HF-Spannung betrieben wird, liegt an dem Kondensator CL die Betriebsspannung VL(t) mit wesentlich niedrigerer Frequenz an. Diese Frequenz liegt üblicherweise in einem Bereich von 100 Hz bis wenigen 100 kHz. Die Betriebsfrequenz sowie die dem Kondensator CL anliegende Betriebsspannung VL(t) sind dabei derart bemessen, daß sie den Anforderungen von beispielsweise Elektrolumineszenz-Folien gerecht werden.
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Es sei anzumerken, daß wahlweise ein separater Kondensator CL verwendet werden kann, diese Kapazität aber auch durch die Kapazität der Elektrolumineszenz-Folie selbst geschaffen werden kann. Wie in 1 ebenfalls dargestellt, werden die Leuchtmittel EL mit kapazitiver Charakteristik parallel zu dem Kondensator CL geschaltet.
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Wie in 1 auch dargestellt ist, wird die an dem Kondensator CL anliegende Betriebsspannung für die Leuchtmittel erfaßt und mit einer sinusförmigen Referenzspannung VREF verglichen. Das Ergebnis dieses in einem Kompensator KOMP ausgeführten Vergleiches wird einer Regelschaltung REG zugeführt, die wiederum das Tastverhältnis der HF-Spannungsquelle HF abhängig von einer etwaigen erfaßten Differenz zwischen VL(t) und VREF(t) einstellt. Somit kann sichergestellt werden, daß die sich an den Kondensator CL einstellende Betriebsspannung VL(t) für die Leuchtmittel EL sowohl hinsichtlich ihrer Amplitude wie auch ihres sinusförmigen Verlaufs nach Möglichkeit der vorgegebenen Spannung VREF entspricht.
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Es sei darüber hinaus bemerkt, daß durch Verändern der Amplitude der Referenzspannung VREF die sich ergebende Amplitude der Betriebsspannung VL(t) am Kondensator CL verändert werden kann, so daß durch ein Verändern der Amplitude der Referenzspannung VREF ein Dimmen der Leuchtmittel EL mit kapazitiver Charakteristik ausgeführt werden kann. Die Frequenz der Referenzspannung VREF wird üblicherweise nicht verändert, da diese optimal hinsichtlich einer langen Lebensdauer der Leuchtmittel eingestellt ist.
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2 zeigt nochmals die PWM-modulierte HF-Spannung Vq(t) sowie die im Vergleich dazu niederfrequente, sich am Kondensator CL einstellende Betriebsspannung VL(t) für die Leuchtmittel.
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In 3 ist die Hochfrequenz-Spannungsquelle HF durch eine Halbbbrückenschaltung mit Schaltern S1, S2 und Dioden D1, D2 ausgebildet. Die Schalter können bspw. Transistoren sein. Diese Brückenschaltung wird durch eine DC-Spannung E1 versorgt. Das Schaltverhalten der Schalter S1, S2 wird dabei durch eine in 3 nicht dargestellte Regelungsschaltung Reg sinusförmig moduliert.
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Der bereits aus 1 bekannten Tiefpass-Filter-Anordnung mit der Drossel La und dem Kondensator CL ist im Ausführungsbeispiel von 3 ein sogenanntes Postfilter bestehend aus einer Spule L2 nachgeschaltet, das Strom-Ripple vermeidet.
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Die Elektrolumineszenz-Folie schließlich ist in 3 durch eine Äquivalenzschaltung bestehend aus einem Ohm'schen Widerstand R5 und einem Kondensator C5 wiedergegeben.
