DE10353425A1

DE10353425A1 - Betriebsschaltung für eine Gasentladungslampe

Info

Publication number: DE10353425A1
Application number: DE10353425A
Authority: DE
Inventors: Marco Seibt; Werner Dr. Ludorf
Original assignee: Diehl Aerospace GmbH
Current assignee: Diehl Aerospace GmbH
Priority date: 2003-11-15
Filing date: 2003-11-15
Publication date: 2005-06-30
Also published as: FR2862476A1; US20050104534A1

Abstract

Bei einer Betriebsschaltung für eine Gasentladungslampe 1, insbesondere der Luftfahrttechnik, ist der Gasentladungslampe 1 eine Induktivität L1 vorgeschaltet und steuert ein von einer Steuerelektronik 3 periodisch gesteuerter Schalter V3 den Strom durch die Induktivität L1. Um auch sehr niedrige Dimmwerte bei Flackerfreiheit erreichen zu können, wird durch Leitendschalten des Schalters V3 mittels der Steuerelektronik 3 eine konstante Gleichspannung U_in für eine konstante Einschaltdauer t_on an die Induktivität L1 gelegt. Durch Abschalten des Schalters V3 am Ende der Einschaltdauer t_on entlädt sich die von der Induktivität L1 gespeicherte Energie auf die Gasentladungslampe 1. Jeweils nach der Entladung der Induktivität L1 schaltet die Steuerelektronik 3 den Schalter V3 periodisch wieder für die Einschaltdauer t_on leitend.

Description

Die Erfindung betrifft eine Betriebsschaltung und ein Betriebsverfahren für eine Gasentladungslampe, insbesondere Leuchtstofflampe, insbesondere in der Luftfahrttechnik.

Eine derartige Schaltung ist in der DE 40 13 360 C für den Betrieb an einem Wechselstromnetz beschrieben. Es ist erreicht, dass die Lampe auch dann mit maximaler Helligkeit leuchtet, wenn der Nennwert der Netzwechselspannung vergleichsweise niedrig ist, ohne dass ein Transformator erforderlich ist.

Eine weitere Schaltung für das Starten und die Helligkeitssteuerung einer Leuchtstofflampe an einem Wechselstromnetz ist in der EP 0 471 331 B1 beschrieben.

In modernen Passagierflugzeugen ist eine kontinuierlich bis zu niedrigsten Dimmwerten dimmbare Beleuchtung erwünscht. Die untere Dimmgrenze sollte vor allem im Hinblick auf den Übergang von Dunkelheit zu dieser unteren Dimmgrenze weit unter 1% liegen. Denn wegen der logarithmischen Empfindlichkeitskurve des Auges wird ein Dimmwert von 1% von Dunkelheit ausgehend schon als relativ hell wahrgenommen. Auch der Wunsch, das Licht unterschiedlicher Lichtquellen beliebig mischen zu können, kann nur mit niedrigsten Dimmpegeln erfüllt werden. In jedem Fall sollen Flackererscheinungen vermieden werden.

Bei einem Betrieb mit Gleichspannung sind zwar im Vergleich zum Betrieb mit Wechselspannung hohe Dimmgrade möglich. Es kann jedoch ein unerwünschtes Flackern entstehen.

In der älteren Deutschen Patentanmeldung 102 52 978 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe beschrieben, mit dem die Gasentladungslampe flackerfrei betrieben werden kann. Einem bis auf Null absenkbaren Gleichspannungsanteil werden Spannungsimpulse überlagert.

Bei Versorgung der Lampe aus einer Gleichstromquelle muss diese ein geeignetes Regelverhalten aufweisen. Die Anforderungen an die Regelgeschwindigkeit sind wegen der stark variablen Lampenparameter unterschiedlich und erschwerden somit die Gestaltung und die Dimensionierung der Gleichstromquelle. Zudem ergibt sich bei Änderung der Umgebungstemperatur eine Änderung des Lampenwiderstands und damit eine unerwünschte Änderung der Lampenleistung. Eine Regelung auf konstante Lampenleistung ist aufwändig (vgl. DE 100 51 139 A1 ).

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Betriebsschaltung und ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit der niedrige Dimmwerte, unter 1%, bei Flackerfreiheit erreicht werden.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 13 gelöst.

Dabei wird die Gasentladungslampe aus der während der Einschaltdauer periodisch gesteuerten Energie der Induktivität mit einem Gleichstrom versorgt. Der während der Abschaltdauer des Schalters fließende Gleichstrom stellt sich ohne Regelschaltung stets so ein, dass die Lampe auch bei sich ändernden Lampenparametern eine konstante Energie erhält. Die Abschaltdauer ändert sich mit dem jeweiligen Lampenwiderstand.

Es ist ein stabiles, flackerfreies Leuchtverhalten der Gasentladungslampe bei allen Dimmwerten erreicht. Ein weiter Dimmbereich bis unter einem Dimmwert von < ca. 1% lässt sich einfach durch Änderung der gespeicherten Energie der Induktivität erreichen. Hierfür wird von der Steuerelektronik die Einschaltdauer entsprechend geändert. Die Dimmung kann auch durch Änderung der angelegten Gleichspannung beeinflusst werden.

Die Frequenz der Periode ist so hoch, dass eine Sichtbarkeit ausgeschlossen ist. Vorzugsweise ist sie größer als 100 kHz.

Das Zündender Lampe erfolgt durch die Energie der Induktivität.

Die Schaltung eignet sich zum Betrieb aller Entladungslampen, insbesondere für die Beleuchtung in Fluggastkabinen oder Reisezügen. Die Schaltung lässt sich auch einsetzen, wenn eine farbvariable Stimmungsbeleuchtung gewünscht ist, wobei kontinuierlich Farbmischungen durch feine Abstufungen der Dimmwerte der Lampen unterschiedlicher Leuchtfarben erreichbar sind. Vorteilhaft ist der Einsatz in Luftfahrzeugen verschiedener Bordnetzfrequenzen mit Fluoreszenzlampen und möglichen geringen Beleuchtungsstärken, wie Nachtbeleuchtungen und Stimmungsbeleuchtungen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:
1 eine gleichspannungsversorgte Betriebsschaltung einer Leuchtstofflampe,
2 eine Erweiterung der Schaltung nach 1 mit galvanischer Trennung vom Versorgungsnetz und Umpolung der Leuchtstofflampe,
3 eine erweiterte Betriebsschaltung an einem Wechselstromnetz mit galvanischer Trennung, Gleichrichtung und Umpolung sowie Wendelheizung,
4 die Betriebsschaltung der 3 in detaillierter Darstellung und
5 Stromverlaufsbeispiele an der Induktivität.
Einer Leuchtstofflampe 1 oder einer Serienschaltung von Leuchtstofflampen 1 ist eine Konstantenergiequelle 2 vorgeschaltet, die von einer Steuerelektronik 3 gesteuert und von einer Gleichspannungsquelle 4 gespeist ist (vgl. 1). Die Gleichspannungsquelle 4 kann eine Batterie, ein Gleichstrombordnetz 5 mit einer galvanischen Trenn- und Gleichrichterstufe 6 (vgl. 2), ein Wechselstrombordnetz 7, beispielsweise 115 V-Netz eines Luftfahrzeuges, mit einer Leistungsfaktorregelung (PFC, Powerfactor Control) 8 und einer galvanischen Trenn- und Gleichrichterstufe 6 sein (vgl. 3). Die Stufe 6 weist beispielsweise einen Transformator 9 oder elektronischen Transformator Tr1 mit elektronischen Schaltern V1, V2, Kondensator C1 und einen Brückengleichrichter Gr1 mit Glättungskondensator C2 auf (vgl. 4). Die Steuerelektronik 3 kann ihre Versorgungsspannung aus der Stufe 6 erhalten. In allen Anschlussfällen liegt am Eingang der Konstantenergiequelle 2 eine Eingangsgleichspannung U_in.
Die Konstantenergiequelle 2 weist eine Induktivität L1 in Reihe zur Leuchtstofflampe 1 und einen Schalter V3, beispielsweise Transistorschalter, parallel zur Leuchtstofflampe 1 auf, der von der Steuerelektronik 3 periodisch geschaltet wird. Eine mit der Induktivität L1 transformatorisch gekoppelte Induktivität L2 liegt an der Steuerelektronik 3. Parallel zur Leuchtstofflampe 1 ist ein Speicherkondensator C3 geschaltet. Zwischen der Induktivität L1 und der Leuchtstofflampe 1 ist eine Diode V4 vorgesehen, damit der Speicherkondensator C3 nicht kurzgeschlossen wird, wenn der Schalter V3 leitend, d.h. geschlossen, ist (vgl. 4).
Die Funktionsweise der konstanten Energiequelle 2 ist im wesentlichen folgende:
Zum Zeitpunkt t0 (vgl. 5) schließt die Steuerelektronik 3 den Schalter V3. Dabei steigt unter der Spannung U_in der durch die Induktivität L1 fließende Strom I linear an. Beim Ablauf der von der Steuerelektronik 3 bestimmten Einschaltdauer t_on – zum Zeitpunkt t1 – öffnet die Steuerelektronik 3 den Schalter V3, schaltet ihn also sperrend. Der Strom I ist bis dahin linear auf den Wert I_s gestiegen (vgl. 5). Dabei wird von der Induktivität L1 die Leistung P = U_in × Is/2 aufgenommen. Mit I_s = U_in × t_on/L ergibt sich: P = 0,5 × U_in ² × t_on/L, wobei L der Induktivitätswert der Induktivität L1 ist. Ersichtlich ist die aufgenommene Leistung unabhängig von Parametern der Leuchtstofflampe 1. Sie ist bei als konstant anzunehmender Induktivität L konstant, solange t_on und U_in nicht geändert werden. Während der Einschaltdauer t_on liegt die Leuchtstofflampe 1 am geladenen Speicherkondensator C3.
Zum Zeitpunkt t1 beginnt sich die Drossel L1 zu entladen. Während der Ausschaltdauer t_off sinkt der Drosselstrom I, bis er bei t2 im wesentlichen Null erreicht. Der absinkende Stromverlauf und damit die Ausschaltzeitdauer t_off hängt von den Parametern der Leuchtstofflampe 1, insbesondere deren Lampenwiderstand, ab.
Wenn der Strom I der Induktivität L1 etwa Null erreicht, geht entsprechend der Strom der Induktivität L2 durch Null. Dies erfasst die Steuerelektronik 3 und schaltet nun den Schalter V3 – zum Zeitpunkt t2 – wieder leitend, so dass sich der beschriebene Vorgang periodisch wiederholt.
In den 5a bis 5d sind zur Vereinfachung der Darstellung nur je zwei Perioden dargestellt.
Die Frequenz f der Periode ist: f = 1/(ton + toff);die Frequenz ist vorzugsweise > 100 kHz und liegt beispielsweise in der Größenordnung von 500 kHz. Bei so hohen Frequenzen können die Induktivitäten L1 und L2 kleinbauend und leicht sein.
Um die Leuchtstofflampe 1 zu dimmen, wird die ihr zur Verfügung gestellte Leistung P verändert. Hierfür wird die mittels der Steuerelektronik 3 eingestellte Einschaltdauer t_on geändert. In 5b ist beispielsweise im Zeitpunkt t4 beginnend die Einschaltdauer auf t_on' verkürzt. Dementsprechend wird zum Zeitpunkt t5 nur der verringerte Strom I_s' erreicht, so dass sich – bei gleichen Lampenparametern – auch t_off' gegenüber t_off verkürzt. Im Zeitpunkt t6 ist der Strom auf Null und dementsprechend schaltet die Steuerelektronik 3 den Schalter V3 für die nächste Einschaltdauer t_on' wieder leitend.
5c zeigt den Stromanstieg wie in 5a; jedoch ist bei 5c anschließend an t1 der Stromabfall flacher als bei 5a, beispielsweise weil der Lampenwiderstand aus irgendwelchen Gründen gesunken ist und deshalb die Spannung am Kondensator C3 ebenfalls gesunken ist, so dass sich eine gegenüber 5a verlängerte Ausschaltzeitdauer t_off'' ergibt.
5d zeigt den Stromverlauf nach 5c jedoch durch Verkürzung der Einschaltdauer t_on' im gedimmten Zustand.
Mit dem beschriebenen Dimmen über die zur Verfügung gestellte Leistung lässt sich eine sehr weite Dimmspanne, beispielsweise von 100% bis < 0,1% erreichen, ohne dass es zu Flackererscheinungen kommt.
Die Dimmung der Leuchtstofflampe 1 kann entsprechend obiger Gleichung zur Leistung P auch zusätzlich oder allein durch Änderung der Spannung U_in vorgenommen werden.
Um ein Entmischen der Lampengase (Kataphorese) durch den Gleichspannungsbetrieb der Leuchtstofflampe 1 zu vermeiden, kann die Leuchtstofflampe 1 periodisch umgepolt werden. Die Frequenz dabei ist wesentlich kleiner als die oben genannte Frequenz f = 1/(t_on + t_off). In den 2 und 3 ist hierfür eine von der Steuerelektronik 3 gesteuerte Umpolstufe mit Vollbrücke 10 gezeigt. Diese ist in 4 durch die von der Steuerelektronik 3 wechselweise gesteuerten Schalter V5, V6, V7 und V8 verdeutlicht.
Die Heizung der Elektroden der Leuchtstofflampe 1 erfolgt vorzugsweise mit Gleichstrom und/oder Gleichspannung, die in Schaltreglern 11,12 potentialgetrennt erzeugt wird, oder in Pulsweitenmodulation (PWM). Die Schaltregler 11,12 sind aus der Trennstufe 6 versorgt und von der Steuerelektronik 3 gesteuert (vgl. 3, 4). Die Gleichstromheizung vermindert die abgestrahlten Störpegel.
Um niedrige Dimmgrade zu erreichen, können im beschriebenen Ablauf Phasen ohne Einschaltung des Schalters V3 vorgesehen sein.
Vor dem oben genannten Umpolvorgang kann die Lampe 1 kurzzeitig mit niederfrequentem Wechselstrom betrieben werden. Damit lassen sich sonst auftretende sogenannte Säulensprünge im Elektrodenbereich unsichtbar machen.

Claims

Betriebsschaltung für eine Gasentladungslampe, insbesondere Leuchtstofflampe, insbesondere in der Luftfahrttechnik, wobei der Gasentladungslampe eine Induktivität vorgeschaltet ist und ein von einer Steuerelektronik periodisch gesteuerter Schalter den Strom durch die Induktivität steuert, dadurch gekennzeichnet, dass durch Leitendschalten des Schalters (V3) mittels der Steuerelektronik (3) eine konstante Gleichspannung (U_in) einer Gleichspannungsquelle (4) für eine konstante Einschaltdauer (t_on) an die Induktivität (L1) angelegt ist, dass durch Abschalten des Schalters (V3) am Ende der Einschaltdauer (t_on) sich die von der Induktivität (L1) gespeicherte Energie auf die Gasentladungslampe (1) entlädt und dass jeweils nach der Entladung der Induktivität (L1) auf die Gasentladungslampe (1) die Steuerelektronik (3) den Schalter (V3) periodisch wieder für die Einschaltdauer (t_on) schließt.
Betriebsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Dimmen der Gasentladungslampe (1) die konstante Gleichspannung (U_in) und/oder die konstante Einschaltdauer (t_on) einstellbar ist.
Betriebsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (L1) so ausgelegt ist, dass bei der konstanten Gleichspannung (U_in) und der eingestellten konstanten Einschaltdauer (t_on) der Strom (I) linear oder nicht linear ansteigt.
Betriebsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik (3) die Entladung der Induktivität (L1) durch Erkennung des Strom-Null-Durchganges erfasst.
Betriebsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik (3) die Entladung der Induktivität (L1) mittels einer Sekundärwicklung (L2) eines Transformators erfasst, dessen Primärwicklung die Induktivität (L1) bildet.
Betriebsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz (f) des periodischen Schattens des Schalters (V3) größer als 100 kHz ist.
Betriebsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasentladungslampe (1) ein Speicherkondensator (C3) parallelgeschaltet ist, dem eine Diode (V4) vorgeschaltet ist.
Betriebsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle (4) eine Batterie oder ein Gleichspannungsnetz oder ein Wechselstromnetz mit Gleichrichterstufe ist.
Betriebsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Induktivität (L1) und die Gasentladungslampe (1) eine Umpolstufe (10) geschaltet ist.
Betriebsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung von Elektroden der Gasentladungslampe (1) mittels Gleichstrom, Gleichspannung oder in Pulsweitenmodulation (PWM) erfolgt.
Betriebsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im beschriebenen Ablauf Phasen ohne Einschaltung des Schalters (V3) auftreten.
Betriebsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem eigentlichen Umpolvorgang die Gasentladungslampe (1) kurzzeitig mit niederfrequentem Wechselstrom betrieben wird, um Säulensprünge im Elektrodenbereich unsichtbar zu machen.
Verfahren zum Betrieb einer Gasentladungslampe, insbesondere Leuchtstofflampe, insbesondere in der Luftfahrttechnik, wobei der Gasentladungslampe eine Induktivität vorgeschaltet ist und ein von einer Steuerelektronik periodisch gesteuerter Schalter den Strom durch die Induktivität steuert, dadurch gekennzeichnet, dass durch Leitendschalten des Schalters (V3) mittels der Steuerelektronik (3) eine konstante Gleichspannung (U_in) einer Gleichspannungsquelle (4) für eine konstante Einschaltdauer (t_on) an die Induktivität (L1) angelegt wird, dass durch Abschalten des Schalters (V3) am Ende der Einschaltdauer (t_on) die von der Induktivität (L1) gespeicherte Energie auf die Gasentladungslampe (1) entladen wird und dass jeweils nach der Entladung der Induktivität (L1) auf die Gasentladungslampe (1) von der Steuerelektronik (3) der Schalter (V3) periodisch wieder für die Einschaltdauer (t_on) geschlossen wird.