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Die
vorliegende Anmeldung basiert auf und beansprucht die Vorteile der
vorläufigen
US-Patentanmeldung Nr. 60/440,926, die am 16. Januar 2003 eingereicht
wurde und den Titel "Dimming
Ballast Control IC with Flash Suppression Circuit" trägt, worauf
mit ein Prioritätsanspruch
erhoben wird, und worauf hier in ihrer Gesamtheit Bezug genommen
wird.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen elektronische Vorschaltgeräte [electronic
ballasts] für
Leuchtstofflampen und im Einzelnen Steuerungen elektronischer Vorschaltgeräte, die
das Flackern von Leuchtstofflampen verhindern können.
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Elektronische
Vorschaltgeräte
für Leuchtstofflampen
sind bekannt, insbesondere solche, die mit einer Schalthalbbrücke [switching
half bridge] arbeiten. Ein derartiges elektronisches Vorschaltgerät wird in
dem der International Rectifier Corporation erteilten US-Patent
Nr. 6,008,593 dargestellt. Steuerungen von elektronischen Vorschaltgeräten haben sich
dahingehend entwickelt, dass sie Dimm-Funktionen, und insbesondere die im
Wesentlichen lineare Dimm-Steuerung,
einschließen.
Eine Art der Dimm-Steuerung wird in dem der International Rectifier
Corporation erteilten US-Patent Nr. 6,008,593 dargestellt.
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Wenn
Leuchtstofflampen in einem gedimmten Modus betrieben werden, kann
das elektronische Vorschaltgerät
während
der Zün dung
der Leuchtstofflampe beim Starten Probleme verursachen. Während des
Startens erzeugt das elektronische Vorschaltgerät eine hohe Spannung, um die
Lampe zu zünden.
In einer Situation, in welcher eine niedrige Lichtstufe ausgewählt wird
und die Lampe gezündet wird,
kann ein unerwünschtes
Flackern über
die Lampe hinweg auftreten, weil die Zeit, die benötigt wird, um
die Lampe zuerst bei der maximalen Helligkeitsstufe zu zünden und
dann auf die endgültige
niedrige Dimmu-Stufe überzugehen,
für das
menschliche Auge feststellbar ist. Aus diesem Grund wäre es von Vorteil,
das Flackern der Leuchtstofflampe während des Zündens und Laufens zu verhindern.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird das Lampenflackern durch die
Reduzierung der Übergangszeit
von der maximalen Helligkeit bis zur endgültigen niedrigen Dimm-Stufe
verhindert. Die Reduzierung der Übergangszeit
verleiht der Lampe das Erscheinungsbild eines sauberen und reibungslosen
Startens, direkt auf der gewünschten Dimm-Stufe.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Steuerung des elektronischen
Vorschaltgeräts
für eine
Leuchtstofflampe bereit, welche die Zündung der Lampe erkennt. Das
Steuerungsverfahren erkennt die Zündung zur frühest möglichen
Zeit und schließt
die Schleife, so dass das System zur minimalen Dimm-Einstellung übergehen
kann, bevor das menschliche Auge ein Flackern erkennen kann. Die Schaltung
misst den Spitzenausgangsstrom im Vergleich zu einer oberen Schwelle,
wenn der Strom während
des Zündungsanstiegs
ansteigt. Wenn der Spitzenstrom die obere Schwelle überschreitet,
wird die Schwelle dann auf eine niedrigere Schwelle gesenkt. Wenn
die Lampe zündet,
sinkt der Strom unter die niedrigere Schwelle und die Schaltung
schließt die
Dimm-Schleife. Der
Strom, der durch das elektronische Vorschaltgerät zu geführt wird, fällt auf die reduzierte Leistungsstufenschwelle,
die Dimm-Steuerung ist bei einer Regelung aktiv.
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Die
Lampe kann außerdem
während
schneller Veränderungen
der Dimm-Stufen erlöschen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Steuerung des elektronischen
Vorschaltgeräts
mit einer Geschwindigkeitsdämpfungssteuerung
für Veränderungen
der Dimmung bereit, um das Erlöschen
der Lampe zu verhindern.
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Die
Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren
detaillierter beschrieben:
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1 zeigt
ein Schaltbild eines beispielhaften elektronischen Vorschaltgeräts mit der Dimm-Vorschaltgerät-Steuerung
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 zeigt
ein vereinfachtes Modell der Vorschaltgerätausgangsstufe;
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3 zeigt
eine grafische Darstellung, die die Ausgangsstufen-Transferfunktionsreaktionen
für verschiedene
Lampen-Leistungsstufen
in dem elektronischen Vorschaltgerät darstellt;
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4 zeigt
eine grafische Darstellung, die die Wellenformen der Ausgangsstufe
des elektronischen Vorschaltgeräts
als Funktion der Zeit darstellt;
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5 zeigt
die Lampenleistung aufgetragen gegen Phasenverschiebung für die Ausgangsstufe des
elektronischen Vorschaltgeräts;
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6 zeigt
ein Schaltbild, das die Start-Schaltungskomponenten
für das
elektronische Lampenvorschaltgerät
darstellt;
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7 zeigt
eine Zeichnung der Startkondensatorspannung gegen die Zeit;
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8 zeigt
ein Schaltbild, das die interne Struktur der Steuerung des elektronischen
Vorschaltgeräts
darstellt;
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9 zeigt
ein Zustandsdiagramm des Betriebs der Steuerung des elektronischen
Vorschaltgeräts;
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10 zeigt
ein Teilschaltbild, das die Komponenten zeigt, die in den Vorheizbetrieb
des elektronischen Vorschaltgeräts
einbezogen sind;
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11 zeigt
eine Gruppe von Kurvenverläufen,
die den Vorheizbetrieb für
das elektronische Vorschaltgerät
darstellen;
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12 zeigt
ein Teilschaltbild, das die Komponenten darstellt, die in die Lampenzündungsschaltungen
einbezogen sind;
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13 zeigt
eine grafische Darstellung, die den Strom des elektronischen Vorschaltgeräts in verschiedenen
Betriebsphasen darstellt;
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14 zeigt
eine grafische Darstellung, die die Lampenzündung und den Übergang
zu den Spannungspegeln des Laufmodus als Funktion der Zeit darstellt;
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15 zeigt
ein Teilschaltbild, das die Komponenten darstellt, die in den Betrieb
der Dimm-Schaltungen für
das elektronische Vorschaltgerät
einbezogen sind;
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16 zeigt
eine Gruppe von Kurvenverläufen,
die den Phasensteuerungsbetrieb in der Steuerung des elektronischen
Vorschaltgeräts
darstellen;
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17 zeigt
eine Gruppe von Kurvenverläufen,
die die Dimm-Einstellungen
bezüglich
des Schaltbetriebs zeigen;
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18 zeigt
ein Teilschaltbild der Komponenten des elektronischen Vorschaltgeräts, die
die Stromprüfschaltungen
betreffen;
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19 zeigt
eine Gruppe von Kurvenverläufen,
die die Zeitfolge der Stromprüfung
in der Steuerung des elektronischen Vorschaltgeräts darstellen; und
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20 zeigt
eine Gruppe von Zeitdiagrammen, die die Fehlererkennung und Reaktion
darstellen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung für ein elektronisches Dimm-Vorschaltgerät bereit,
das gesteuert wird, um Lampenflackern zu verhindern. Es wird nun
auf 1 Bezug genommen; eine typische Schaltungsanordnung
für ein
elektronisches Vorschaltgerät
wird als Schaltung 50 dargestellt. Eine Leuchtstofflampe 100 wird
basierend auf den Eingangseinstellungen und der Parameterauswahl
von dem elektronischen Vorschaltgerät betrieben. Das elektronische
Vorschaltgerät
arbeitet mit einer Halbbrücke,
die aus zwei Schaltern besteht, welche einen Highside-Schalter (zur
Betriebsspannung) Q1 und einen Lowside-Schalter (zur Masse) Q2 aufweisen.
Die Schalter Q1 und Q2 werden von der Steuer-IC 60 des
elektronischen Vorschaltgeräts
in Übereinstimmung
mit dem Eingabebefehl und den Parametereinstellungen betrieben,
die von externen Komponenten an der Steuer-IC 60 bereitgestellt
werden. Die Steuer-IC 60 stellt eine Vorschaltgerätsteuerung
und einen Halbbrückentreiber
in einer einzelnen IC bereit und ist in der Lage, die Lampenleistung ohne
die Verwendung eines Stromwandlers abzutasten. Die Steuer-IC 60 stellt
eine Lampenleistungsregelung und eine Vorheizstromsteuerung bereit,
wobei die Vorheizzeit und der Strom durch externe Komponenten programmierbar
sind. Eine Lampenzündungserkennungsfunktion
zusammen mit einer programmierbaren Zeit für die Einstellung des Leistungsanstiegs
von der Zündung
bis zur Dimm-Einstellungsstufe wird ebenfalls von der Steuer-IC 60 bereitgestellt.
Ein Eingang DIM der Steuer-IC 60 empfängt einen Dimm-Steuereingang
von 0,5 bis 5 Volt DC, um den Lichtstufenausgang einzustellen, der
von der Steuer-IC 60 gesteuert wird. Die Steuer-IC 60 ist
für die
flexible Verwendung mit einer Reihe von Arten von Leuchtstofflampen
ausgelegt, und ermöglicht
so minimale und maximale Lampenleistungseinstellungen sowie eine
programmierbare Minimalfrequenz, um den Betriebsbereich für die ausgewählte Lampe 100 einzustellen.
Ein Eingang CS für
die Steuer-IC 60 wird von einem Lowside-Schalter in der
Schalthalbbrücke
erhalten, um den Strom zu bestimmen, der der Lampe 100 zugeführt wird.
Das Stromabtastsignal wird als ein Spannungssignal genommen, das
beispielsweise von dem Gate-Drain-Widerstand des Lowside-Schalters Q2 abgeleitet
wird.
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Die
Steuer-IC 60 ist für
die Arbeit mit den Hochleistungsschaltern Q1 und Q2 ausgelegt, die
in der Lage sind, Spannungen im Bereich von 600 Volt standzuhalten.
Die Phasensteuerung, die von der Steuer-IC 60 bereitgestellt
wird, erreicht eine nahezu lineare Dimm-Steuerung durch den gesamten
Bereich der Dimm-Werte und erreicht eine Regelung mit Lampenleistungsabtastung,
um die Notwendigkeit eines Stromwandlers zu eliminieren. Die Stromregelung
trägt zur
Minimierung der Veränderungen
an den Komponenten bei, die möglicherweise
bei vorhandenen Vorschaltgeräten
benötigt
werden, wenn die Steuer-IC 60 verwendet wird, um die Steuerung
eines elektronischen Vorschaltgeräts zu ersetzen, um eine Dimm-Funktion
bereitzustellen. Die Steuer-IC 60 realisiert außerdem eine
Reihe von Fehlererkennungsfunktionen, einschließlich des Zündversagens, des Glühdrahtversagens,
der thermischen Überlastung,
des Lampenausfalls während
des normalen Betriebs und Stromversorgungsfehler einschließlich Unterspannung.
Die Steuer-IC 60 weist auch eine automatische Neustart-Funktion
auf, damit die Lampe im Fall eines Niedrigspannungszustands in der Stromversorgung
neu gezündet
werden kann.
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Es
wird nun auf 2 und 3 Bezug
genommen; es wird eine vereinfachte Schaltung zur Veranschaulichung
des Betriebs der Ausgangsstufe des elektronischen Vorschaltgeräts der Leuchtstofflampe
als Schaltung 80 dargestellt. Diagramm 70 in 3 stellt
die Transferfunktionscharakteristika der Modellschaltung 80 bei
verschiedenen Betriebsmodi und Leistungsstufen dar. Die Vorschaltgerätausgangsstufe
ist ausgeführt
als Drosselspule L, Kondensator C und ein Widerstandsnetz bestehend
aus den Glühdrahtwiderständen R1–R4 und
dem Lampenwiderstand Rlamp. Während
des Vorheizens und der Zündung
ist Schaltung 80 ein High-Q-Reihen-LC [high-Q series LC] mit
einem starken Eingangsstrom für
die Phasenumkehrung der Eingangsspannung von +90 auf –90° bei der
Resonanzfrequenz. Für
Betriebsfrequenzen, die geringfügig über der
Resonanz und höher
liegen, ist die Phase bei –90° während des Vorheiz- und Zündungsmodus
fixiert. Während
des Dimm- oder Laufmodus ist die Schaltung 80 als eine Drosselspule
L in Reihe mit einer parallelen RC-Kombination ausgeführt, mit
einer schwachen Phasenumkehrung bei hoher Lampenleistung und einer
starken Phasenumkehrung bei geringer Lampenleistung.
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Es
wird nun auf 4 Bezug genommen; im Diagramm 90 wird
die Phasenverschiebung des Eingangsstroms im Zeitbereich dargestellt.
Das Diagramm 90 zeigt den Eingangsstrom, verschoben um –90° von der
Eingangshalbbrückenspannung
während
des Vorheizens und der Zündung,
und zwischen Null und –90° nach der
Zündung
und während
des normalen Laufens. Bei der Phasensteuerung der Steuer-IC 60 entspricht
die Null-Phasen-Verschiebung der maximalen Leistung. Die Phaseneinstellung
gegen Lampenleistung ist in 5 in der
Zeichnung 40 grafisch dargestellt. Wie in Diagramm 40 zu sehen
ist, ist das Verhältnis
zwischen Phasendifferenz und Lampenleistung über den gesamten Bereich des
Dimm-Betriebs sehr linear, selbst unten in den sehr niedrigen Licht-Betriebsstufen,
bei welchen sich der Widerstand der Lampe als Funktion der zugeführten Leistung
in Größenordnungen
verändern kann.
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Es
wird nun auf 6 Bezug genommen; es wird ein
Schaltbild dargestellt, das einen Abschnitt der Komponenten der
Schaltung 50 zeigt, um den Betrieb des elektronischen Vorschaltgeräts im Unterspannungssperrmodus
(Under Voltage Lockout Mode) zu zeigen. Die Unterspannungssperre
stellt eine Präventivmaßnahme für den Schutz
der Schalter Q1 und Q2 in einem Unterspannungszustand bereit. Üblicherweise
steigt die Antriebsspannung während
des Starts an, aber nicht in ausreichendem Maße, um die Ausgangstreiber
der Steuer-IC 60 ordnungsgemäß zu aktivieren und den ord nungsgemäßen Betrieb
der Schalter Q1 und Q2 zu gewährleisten.
Dementsprechend werden die High- und Lowside-Ausgangstreiber für die Schalter
Q1 beziehungsweise Q2 solange nicht aktiviert, bis die Steuer-IC 60 mit
einem entsprechenden Stromversorgungsniveau voll funktionsfähig ist.
Gleichzeitig wird ein ultrageringer Ruhestrom von weniger als 200
Mikroampere von der Steuer-IC 60 am Anschluss VCC aufrechterhalten.
Schaltung 30 weist eine Ladungspumpe in der Ausgangsstufe
des elektronischen Vorschaltgeräts
auf, bestehend aus Widerstand R1, Kondensatoren C1 und C2 und Dioden
D1 und D2. Die Schaltung 30 erreicht eine effiziente Startversorgung
durch die Verwendung des Startstroms, der von der Steuer-IC 60 zusammen
mit den Komponenten der Ausgangsstufe des elektronischen Vorschaltgeräts in der
Ladungspumpe zugeführt
wird.
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Der
Startkondensator C1 lädt
mit Strom, der durch Widerstand R1 zugeführt wird, welcher teilweise
durch den Startstrom, der von Steuer-IC 60 entnommen wird,
reduziert wird. Der Widerstand R1 wird ausgewählt, um ungefähr zweimal
einen maximalen Startstrom bei geringen Leitungsspannungspegeln bereitzustellen,
um einen geeigneten Betrieb unter schlechteren Eingangsleistungsbedingungen
zu erreichen. Die Steuer-IC 60 schaltet ein, nachdem die Spannung
am Kondensator C1 eine Startschwelle erreicht und die Spannung am
Anschluss VDC der Steuer-IC 60 ungefähr 5,1 Volt beträgt. Der
Zustand der Spannung am Anschluss VDC hat den Zweck, einen Sprühentladungsschutz
bereitzustellen, wie nachstehend detaillierter beschrieben wird.
Wenn die Steuer-IC 60 einschaltet, beginnen die Treiberausgänge HO und
LO zu schwingen, um das elektronische Vorschaltgerät anzusteuern.
Wenn die Treiberausgänge
HO und LO zu schwingen beginnen, entnimmt die Steuer-IC 60 mehr Strom
und der Startkondensator C1 beginnt aufgrund der zusätzlichen
Stromentnahme mit der Entladung.
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Es
wird nun auf 7 Bezug genommen; wenn der Kondensator
C1 mit der Entladung beginnt, beginnt die Spannung, die von der
Ladungspumpe zugeführt
wird, gleichgerichteten Strom an den Ladungskondensator C1 oberhalb
der Betriebsschwellenspannung für
die Steuer-IC 60 beizutragen. Wenn der Ladungsausgang zunimmt,
dient er als die Versorgungsspannung in Kombination mit einer 15,6 Volt
Zenerklemme, die sich im Inneren der Steuer-IC 60 befindet.
Der Startkondensator C1 und der Snubber-Kondensator C2 werden ausgewählt, um
eine gute Startfunktionalität
bereitzustellen, selbst unter den schlechtesten IC-Zuständen. Eine
Bootstrap-Diode D3 und ein Speisekondensator C3 tragen zur Speisung
der Versorgungsspannung für
die Highside-Treiberschaltungen bei. Vorzugsweise wird die Highside-Versorgung
vor dem ersten Treiberausgangsimpuls am Treiberausgang HO aufgeladen. Dementsprechend
ist der erste Impuls, der der Schalthalbbrücke von der Steuer-IC zugeführt wird, am
Treiberausgang LO, um das Ansteuern der Schalterschwingung am Schalter
Q2 zu beginnen. Während
des UVLO-Modus werden die High- und Lowside-Treiberausgänge HO und
LO auf einer niedrigen Stufe gehalten, während der Anschluss VCO der
Steuer-IC 60 (1) intern auf 5 Volt heraufgezogen
wird, was die Startfrequenz des elektronischen Vorschaltgeräts auf die
hohe Stufe des Bereichs zurücksetzt.
Außerdem
wird während
des Starts der Anschluss CPH intern mit COM in der Steuer-IC 60 verbunden,
was dazu dient, die Vorheizzeiten für das Vorheizen der Glühdrähte der
Lampe 100 zurückzusetzen.
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Die
Steuer-IC 60 stellt außerdem
einen Sprühentladungsschutz
bereit, indem die Schwingung der Ausgangstreiber bei mehreren Eingangsspannungszuständen konditioniert
wird. Zusätzlich
zu der Spannung am Anschluss VCC, die über der Startschwelle liegt,
wird der Anschluss VDC der Steuer-IC 60 auf einen Spannungspegel
von über
5,1 Volt überprüft, um die
Schwingung der Treiberausgänge
zu ermöglichen.
Ein Spannungsteiler, bestehend aus dem Widerstand R3 und dem Widerstand
RVDC, der mit dem gleichgerichteten AC-Leitungseingang verbunden ist, stellt
programmierbare Spannungspegel für die
Sprühentladungsschutzschwellen
bereit. Der mit Anschluss VDC verbundene Spannungsteiler misst die
gleichgerichtete AC-Leitungseingangsspannung für das elektronische Vorschaltgerät, während er
eine programmierte Einschalt- und Ausschaltstufe für die Leitungsspannungspegel
bereitstellt. Ein Filterkondensator CVDC ist mit dem Anschluss VDC
verbunden, um zur Reduzierung der Brummspannung auf einen ausreichend
niedrigen Pegel beizutragen, während
verhindert wird, dass die untere Ausschaltschwelle von beispielsweise
3 Volt während
der normalen Leitungszustände
erreicht wird. Der Kondensator CVDC trägt dazu bei, dass verhindert
wird, dass die Lampe 100 während niedriger Leitungspegelzustände erlischt,
bevor die Steuer-IC 60 ordnungsgemäß zurückgesetzt ist. Wenn ein Sprühentladungszustand
eintritt, kann der DC-Bus auf einen Spannungspegel unterhalb einer
niedrigen Schwelle abfallen, die durch die Tankschaltung verwendet wird,
um eine angemessene Lampenspannung aufrechtzuerhalten. Die Sprühentladungs-Schutzschaltung gestattet,
dass das elektronische Vorschaltgerät ein sauberes Ausschalten
der Lampe 100 erreicht, bevor der DC-Bus auf einen niedrigen
Wert abfällt, der
die Steuer-IC 60 auf den Vorheizmodus zurücksetzt,
um einen entsprechenden Neustart zu errei chen, wenn die Leitungsspannung
zu ihrem entsprechenden Wert zurückkehrt.
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Es
wird nun auf 8 Bezug genommen; eine Blockdiagramm
der internen Struktur der Steuer-IC 60 wird allgemein als
Schaltung 110 dargestellt. Wie in Schaltung 110 dargestellt,
stellt die Steuer-IC 60 die schwingenden Treiberausgänge HO und
Lo basierend auf einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) bereit,
der von einem Signal angesteuert wird, das an dem Anschluss VCO
zugeführt
wird. Eingaben werden bereitgestellt für die Auswahl der Vorheizparameter
sowie die Minimal- und Maximalwerte für den Bereich der Operationen
des elektronischen Vorschaltgeräts.
Die Schaltung 110 stellt auch Fehlererkennungsfunktionen
dar, einschließlich
Unterspannung, Übertemperatur, Überstrom
und so fort, die kombiniert werden, damit ein Fehlersignal ERR bereit-gestellt
wird, während
außerdem
eine Funktion für
das Abschalten der Treiberausgänge
HO und LO bereitgestellt wird.
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Es
wird nun auf 9 Bezug genommen; ein Zustandsdiagramm 120 stellt
den Betrieb der Steuer-IC 60 des elektronischen Vorschaltgeräts dar,
beginnend mit der Leistung, die dem elektronischen Vorschaltgerät zugeführt wird,
wenn es eingeschaltet ist. Wenn der Strom zu dem elektronischen
Vorschaltgerät
zu fließen
beginnt, wird die Steuer-IC 60 in den UVLO-Modus in Zustand 121 versetzt.
Im UVLO-Modus wird verhindert, dass die Schalthalbbrücke arbeitet,
während
ein Strom durch VCC zugeführt wird,
um das Laden des Startkondensators C1 zu beginnen. Der Vorheizkondensator
CPH wird auf Null Volt eingestellt, und die Oszillatorfunktion,
die von dem VCO in der Steuer-IC 60 bereitgestellt wird,
wird ausgeschaltet. Die Steuer-IC 60 setzt in Zustand 121 fort,
bis bestimmte Bedingungen erfüllt
sind, zu welchen gehört,
dass beispielsweise die Versorgungsspannung eine vorher festgelegte
Schwelle von größer als
12,5 Volt erreicht, dass beispielsweise die Busversorgungsspannung
einen Wert erreicht, der größer als
5,1 Volt ist, dass beispielsweise ein Abschalt-Fehler-Erkennungssignal
niedriger als 1,7 Volt ist, um den Zustand der Lampe 100 als
angemessen anzuzeigen, und dass beispielsweise die Temperatur der
Steuer-IC 60 angemessen ist, d. h. dass TJ unter 165°C liegt.
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Wenn
die obigen Bedingungen erfüllt
sind, geht die Steuer-IC 60 in den Zustand 122 über und tritt
in den Vorheizmodus-Betrieb ein. Während des Vorheizmodus ist
die Schalthalbbrücke
eingeschaltet und beginnt zu schwingen, um den Glühdrähten der Lampe 100 Leistung
zuzuführen.
Die Spitzenstromsteuerung wird durch die Spannungswerte VCSPK und
VIPH festgesetzt, um große
Ströme
zu verhindern. Der Kondensator CPH lädt und bestimmt die Dauer der
Vorheizzeit, während
die Dimm-Funktionen und die Überstromfehlererkennung
deaktiviert sind.
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Der
Vorheizmodus endet, wenn der Kondensator CPH auf beispielsweise über 5,1
Volt lädt
und der Betrieb der Steuer-IC 60 geht in Zustand 123 über und
beginnt den Zündmodus.
Während
des Zündmodus
beginnt die hohe Frequenz der Schwingung, die während des Starts verwendet
wird, abzufallen, um die Leistung zu erhöhen, die der Lampe 100 zugeführt wird.
Während
des Zustands 123 wird die Dimm-Funktion in einen Leerlaufzustand
versetzt, um die Flackerunterdrückungsfunktion
der vorliegenden Erfindung zu erreichen, und die Überstromfehlererkennung
wird aktiviert. An diesem Punkt versucht das elektronische Vorschaltgerät, die Lampe 100 zu
zünden,
wobei VCS über
einen erhöhten
Wert von VIPH er höht
wird, um die Zündung
auf einer hohen Leistungsstufe zu ermöglichen. Wenn die Spannung
VCS über
den erhöhten
Wert von VIPH ansteigt, wird VIPH auf einen Wert reduziert, unter
welchem VCS als normal im Laufmodus angesehen wird. Wenn die Zündung erkannt
ist, fällt
VCS auf einen Wert ab, der geringer ist als VIPH auf dem reduzierten
Wert, und die Steuer-IC 60 verlässt den Zündmodus, um in den normalen
Laufmodus einzutreten.
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Der
normale Betriebsmodus, oder Dimmer-Modus, in Zustand 124 ist
der normale Betriebszustand für
das elektronische Vorschaltgerät
und die Lampe 100, wenn das System ordnungsgemäß arbeitet.
In diesem Zustand wird die Phasensteuerung betrieben, um die Schalthalbbrücke bei
einer gewünschte
Schaltgeschwindigkeit und Leistungsstufe basierend auf einem Referenzphasenwert
anzusteuern. Der Dimm-Steuerbetrieb wird aktiviert und auf einen
entsprechenden Wert basierend auf einem Eingangssignal und einem
Anstieg von einem anfänglichen
Startzustand auf den gewünschten
Wert eingestellt. In diesem Modus sind alle Fehlererkennungsfunktionen
aktiviert, einschließlich Überstromrichtung,
und das elektronische Vorschaltgerät arbeitet normal.
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Während jedes
der Startzustände 121–124 können Fehler
erkannt werden und es kann eine entsprechende Reaktion aufrechterhalten
werden, um Schäden
am elektronischen Vorschaltgerät
und der Lampe 100 zu verhindern. Beispielsweise veranlasst ein
Ausgangsstufenleistungsfehler im elektronischen Vorschaltgerät während des
Starts das elektronische Vorschaltgerät, in den UVLO-Modus-Zustand 121 zurückzukehren.
Außerdem
führt ein
DC-Bus- oder ein AC-Leitungsleistungsfehler oder der Verlust der
Leistung zur Rückkehr
in Zustand 121, in welchem die Steuer-IC 60 in
den UVLO- Modus versetzt
wird. Außerdem
wird ein Lampenfehler oder eine fehlende Lampe basierend auf dem
Wert von Anschluss SD, der beispielsweise größer als 2,0 Volt wird, festgestellt,
und die Steuer-IC 60 kehrt
in den Zustand 121 und den UVLO-Modus zurück.
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Fehler,
die während
verschiedener Stufen des Startprozesses auftreten können, werden
ebenfalls in einem Fehlermodus in Zustand 125 bearbeitet.
Wenn sich die Steuer-IC 60 in irgendeinem der Zustände 122–124 befindet,
wird ein Übertemperaturfehler
bereitgestellt, um den Betrieb in den Zustand 125 zu überführen. In
jedem der Zustände 123 oder 124 wird
ein hart schaltender Fehler bereitgestellt, wenn die Stromabtastung
größer als
eine gegebene Schwelle ist, und die Steuerung geht in den Zustand 125 über. Während des
Zündmodus
in Zustand 123 führt
ein Versagen beim Zünden
der Lampe ebenfalls zu einem Übergang
in den Zustand 125. Im Dimm-Modus in Zustand 124 wird
ein Überstromfehler
erkannt, der einen Übergang
in den Fehlermodus-Zustand 125 verursacht. Der Fehlermodus-Zustand 125 versetzt
das elektronische Vorschaltgerät in
einen ausfallsicheren Zustand und stellt eine Fehlersperre ein,
die mit der Lampenentfernung oder dem Stromdurchlauf zurückgesetzt
wird. In diesem Modus ist die Schalthalbbrücke ausgeschaltet und ein geringer
Ruhestromausgang von ungefähr
240 Mikroampere wird in der Ausgangsversorgungsstufe bereitgestellt.
Der Vorheizkondensator wird auf Null entladen, um die Vorheizzeit
zurückzusetzen,
während
die Versorgungsspannung bei ungefähr 15,6 Volt aufrechterhalten
wird und der Oszillator ausgeschaltet ist. Der Übergang aus dem Fehlermodus-Zustand 125 führt den
Betrieb der Steuer-IC in den UVLO-Modus-Zustand 121 zurück, um den
Startprozess erneut zu initiieren.
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Es
wird auf 10 Bezug genommen; es wird eine
ausführlichere
Erklärung
der Vorheizschaltungen und des Vorheizbetriebs unter Bezugnahme auf
ein Vorheizschaltbild 130 gegeben. Die Steuer-IC 60 tritt
in den Vorheizmodus ein, wenn die Spannung VCC UVLO + Schwelle überschreitet
und die Spannung VDC 5,1 Volt überschreitet.
In diesem Vorheizmodus beginnen die Treiberausgänge HO und LO in dem hohen
Bereich der Betriebsfrequenz mit einem Betriebszyklus von 50% und
einer intern eingestellten Totzeit von ungefähr 2 μm zu schwingen. Der Anschluss
CPH ist intern von COM getrennt und eine interne 1 μm-Stromquelle
lädt den
externen Zeitgabekondensator CCPH, der am Anschluss CPH verbunden
ist. Der Kondensator CCPH lädt
linear, um die Vorheizzeitdauer für das Vorheizen der Glühdrähte der
Lampe 100 zu erreichen. Ebenfalls während des Vorheizens entlädt eine
interne 1 μm-Stromquelle langsam
den externen Kondensator CVCO am Anschluss VCO, um die Spannung
zu senken, die an Anschluss VCO angelegt wird. Durch Senken der Spannung
am Anschluss VCO sinkt die Oszillatorfrequenz gegen Resonanz, wodurch
der Laststrom erhöht
wird. Die Spitzenspannung, die am Anschluss CS bezüglich des
Laststroms gemessen wird, erhöht sich,
wenn der Laststrom durch den externen Abtastwiderstand RCS fließt. Wenn
die Spitzenspannung am Anschluss CS den Spannungspegel am Anschluss
IPH überschreitet,
wird eine interne 60 μA-Stromquelle
mit dem Anschluss VCO verbunden und der Kondensator CVCO beginnt
die Entladung. Diese Operationen werden in den Wellenformen von 8 dargestellt,
welche VRCS, ICVCO und VCVCO abgetragen gegen die Zeit darstellt.
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Wenn
die interne 60 μA-Stromquelle
zum Laden des Kondensators CVCO mit dem Anschluss VCO verbunden
wird, steigt die Spannung am Anschluss VCO. Wenn die Spannung am
Anschluss VCO steigt, steigt die Frequenz, was zu einem reduzierten
Laststrom führt.
Wenn der Laststrom, gemessen als eine Spannung am Anschluss CS,
sinkt, und wenn die Spannung unter die Spannung am Anschluss IPH
fällt,
wird die 60 μA-Stromquelle
erneut getrennt. Das erneute Trennen der 60 μA-Stromquelle verursacht das
Sinken der Frequenz der Schwingung, wodurch der Laststrom erneut
steigt. Diese zyklische Operation dauert während des Vorheizmodus an,
um die Glühdrähte der
Lampe 100 zu beheizen. Die Rückmeldung, die durch die Stromabtastung
am Anschluss CS erhalten wird, sorgt dafür, dass der Spitzenvorheizstrom
gemäß der vom
Benutzer programmierten Einstellung am Anschluss IPH für die Dauer
der Vorheizzeit reguliert bleibt. Eine interne Stromquelle, die
mit dem externen Widerstand RIPH verbunden ist, stellt eine Spannungsreferenz
für den Spitzenvorheizstrom
ein. Die Dauer der Vorheizzeit wird auf den Zeitbetrag eingestellt,
den der Kondensator CCPH benötigt,
um auf über
5 Volt aufzuladen.
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Es
wird nun auf 12 Bezug genommen; es wird ein
vereinfachtes Schaltbild 140 für den Zündbetrieb des elektronischen
Vorschaltgeräts
dargestellt. In Schaltung 140 beginnt der Zündmodus, wenn
die Spannung am Anschluss CPH 5 Volt übersteigt. Die Spannung, die
am Anschluss IPH zugeführt
wird, wird vom externen Widerstand RIPH getrennt und statt dessen
mit einer höheren
internen Schwelle von 1,6 Volt verbunden, um eine entsprechende
Reaktion basierend auf dem Stromabtastwert am Anschluss CS (siehe 8)
aufrechtzuerhalten. Ein Zündfrequenzanstieg
wird initiiert, wenn der Kondensator CVCO durch eine interne 1 μA-Stromquelle 141 linear
entlädt.
Wenn die Frequenz linear gegen die Resonanzfrequenz der High-Q-Vorschaltgerät-Ausgangsstufe
sinkt, steigen die Lampenspannung und der Lampenstrom. Es wird für einen
Moment auf 13 Bezug genommen; es wird ein
grafische Darstellung der ansteigenden Leistung, die der Lampe zugeführt wird,
gezeigt, wie durch die Stromabtastspannungsmessung am Anschluss
CS wiedergegeben wird.
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Die
Schaltfrequenz des elektronischen Vorschaltgeräts sinkt weiter, bis die Lampe 100 zündet oder
die Stromgrenze erreicht ist, wodurch ein Fehler verursacht wird,
welcher die Steuer-IC 60 in den Fehlermodus versetzt. Die
Spitzenstromgrenze wird von der 1,6-Volt-Schwelle und dem externen Stromabtastwiderstand
RCS bestimmt, der durch einen kleinen Widerstand mit dem Anschluss
CS verbunden ist. Diese Schwelle stellt den maximal gewünschten Spitzenzündstrom,
und folglich die maximale Spitzenzündspannung, für die Vorschaltgerätausgangsstufe
ein. Die Auswahl der Spannungsschwelle und des Stromabtastwiderstands
RCS erfolgt, um zu verhindern, dass der Spitzenzündstrom die Stromnennwerte
der Ausgangsstufenschalter Q1 und Q2 überschreitet. Außerdem werden
die Werte ausgewählt, um
zu verhindern, dass die Resonanzdrosselspule (1 und 2)
zu irgendeinem Zeitpunkt während
des Betriebs des elektronischen Vorschaltgeräts gesättigt ist.
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Wenn
die Steuer-IC 60 des elektronischen Vorschaltgeräts auf eine
niedrige Dimm-Stufe eingestellt ist, ist es möglich, dass ein Flackern entlang
der Lampe während
der Zündung
der Lampe verursacht wird. Dieses Flackern kann aufgrund der Zeit
auftreten, die für
den Übergang
von der maximalen Helligkeitsstufe nach der Zündung zu der Dimm-Einstellung
für eine
geringe Helligkeit benötigt
wird. Um dieses Flackern zu verhindern, misst eine Zünderkennungsschaltung
die Spannung am Anschluss CS und vergleicht sie mit der Spannung
am Anschluss IPH. Während
der Zündung,
wenn die Frequenz abfällt, um
den Strom und die Spannung zu erhöhen, die der Lampe zugeführt werden,
erhöht
die Schaltung in der Steuer-IC 60 die Spannung am Anschluss
IPH auf ungefähr
20% über
den Spannungswert, der während
des Vorheizmodus eingestellt war. Wenn die Spannung am Anschluss
CS steigt, überschreitet
sie schließlich
die um 20% erhöhte
Spannung am Anschluss IPH. An diesem Punkt wird die Spannung am Anschluss
IPH auf einen Wert ungefähr
10% über
der Spannung des Vorheizeinstellungspunkts gesenkt, an welchem Punkt
die Zünderkennungsschaltung
aktiviert wird. 13 stellt die Spannung am Anschluss CS
bezogen auf die typischen Werte am Anschluss IPH mit den angegebenen
zusätzlichen
20% oder 10% dar.
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Wenn
die Lampe 100 zündet,
fällt die
Spannung am Anschluss CS unter die Spannung am Anschluss IPH wegen
der sich verändernden
Charakteristika der Lastschaltung einschließlich Lampe 100. Wenn
die Spannung am Anschluss CS unter die Spannung am Anschluss IPH
sinkt, tritt die Steuer-IC 60 in den Dimm-Modus ein und
die Phasenregelung wird im Regelungsmodus aktiviert. Während der
Zündung
wird die Spannung am Anschluss CS dazu veranlasst, dass sie über die
Spannung am Anschluss IPH steigt, erhöht um zusätzliche 20%, so dass die Zünderkennungsschaltung
ordnungsgemäß arbeiten kann.
Wenn die Lampe zündet,
sinkt die Spannung am Anschluss CS auf einen Wert unter der Spannung am
Anschluss IPH, erhöht
um 10%, und die Steuer-IC 60 tritt ordnungsgemäß in den
Dimm-Modus ein.
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Beim
Eintritt in den Dimm-Modus arbeitet die Steuer-IC 60 im
Phasensteuerungsmodus mit Regelung, um die Phase des Laststroms
basierend auf dem Steuereingang am Anschluss DIM zu regulieren.
Die Phasensteuerung mit dem VCO modifiziert die Lampenleistung in Übereinstimmung
mit dem Steuereingang, um eine entsprechende Dimm-Stufe bei Aufrechterhaltung
einer hohen Effizienz zu erreichen. Wenn der Steuereingang eine
schnelle signifikante Veränderung
hervorruft, kann die Phasensteuerschleife schneller auf den Eingang
reagieren als die Lampe aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften
dazu in der Lage ist. Das Ergebnis dieser schnellen Steuerveränderungen
kann ein Überschwingen des
VCO verursachen, was zu einem Frequenzabfall unter einen eingestellten
Minimalwert führen,
wodurch die Lampe erlischt.
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Um
dieses Problem zu verhindern, wird die Geschwindigkeit, mit welcher
sich die Dimm-Einstellungen verändern
können,
von der Steuer-IC 60 gesteuert. Wenn die Steuer-IC 60 in
den Dimm-Modus eintritt, ist der Anschluss DIM intern mit dem Anschluss
CPH verbunden, um den Kondensator CCPH zu entladen, der mit Anschluss
CPH verbunden ist. Der Widerstand RDIM, der mit dem Anschluss DIM
verbunden ist, steuert die Geschwindigkeit des Entladens des Kondensators
CCPH, wenn die Spannung VCPH auf die Eingangssteuereinstellungsstufe
sinkt. Dementsprechend wird die Geschwindigkeit der Veränderung
von der maximalen Helligkeit zur Eingangs-Dimm-Einstellungsstufe programmiert
gesteuert. Der Widerstand RDIM kann für eine schnelle Zeitkonstante
ausgewählt
werden, um den Umfang des Flackerns zu minimieren, das über der
Lampe direkt nach der Zündung
sichtbar ist. Alternativ kann RDIM für eine lange Zeitkonstante
ausgewählt
werden, so dass die Helligkeit der Lampe 100 allmählich auf
die Eingangs-Dimm-Einstellungsstufe abfällt. Dementsprechend stellt
der Kondensator CCPH am Anschluss CPH durch das Einstellen der Vorheizzeit,
der Veränderungsgeschwindigkeit für den Übergang
zum Dimm-Modus mehrere Funktionen bereit, und stellt außerdem eine
Filterfunktion am Anschluss DIM während des Dimmens bereit, um die
Hochfrequenz-Rauschunempfindlichkeit
zu erhöhen.
Durch die Bereitstellung eines Kondensators für die Erfüllung aller dieser Funktionen
wird die Anzahl der Komponenten signifikant reduziert. 14 stellt die
Geschwindigkeit der Veränderung
für den Übergang
von der Zündleistungsstufe
zur Dimm-Einstellungsstufe dar.
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Wenn
die Steuer-IC 60 in den Dimm-Modus eintritt, wird eine
geschlossene Phasenregelung implementiert, um die Lampenleistung
zu regulieren. Die Phase des Ausgangsstufenstroms wird festgestellt und
mit einer Referenzphase verglichen, um einen Fehlerwert zu erzeugen.
Der Fehlerwert wird verwendet, um den Betrieb des VCO zu modifizieren,
um die Frequenz zu modifizieren und die Phase zu verändern, um
den Fehlerwert auf Null zu zwingen. Es wird nun auf 15 Bezug
genommen; eine interne Stromquelle von 15 μA ist während des Dimm-Modus mit dem
Anschluss VCO verbunden, um den Kondensator CVCO zu entladen und
die Frequenz zu senken, bis die Phasensteuerung auf die Phase verriegeln
kann. Wenn eine Phasenverriegelung erreicht ist, gibt der Phasendetektor
kurze Impulse an einen Open-Drain-PMOS-Schalter 151 aus,
um den Kondensator CVCO durch den internen Widerstand RFB zu laden.
Es wird für
einen Moment auf 16 Bezug genommen; die Impulse
werden jedes Mal erzeugt, wenn ein Fehlerimpuls auftritt, angegeben
als VERR. Diese Impulsaktion beeinflusst geringfügig den Integrator am Eingang
des VCO, um die Phase des Ausgangsstufenstroms verriegelt in der
Phase mit der Referenz aufrechtzuerhalten.
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Eine
Eingangs-Dimm-Steuerung am Anschluss DIM mit einem Bereich von 0,5
bis 5 Volt stellt eine Dimm-Schnittstelle für eine analoge Lampenleistungssteuerung
bereit. Die 5 Volt DC entsprechen einer minimalen Phasenverschiebung,
was zu einer maximalen Lampenleistung führt. Der Ausgang der Dimm-Schnittstelle
wird als eine Spannung am Anschluss MIN bereitgestellt, welche mit
der Spannung an dem internen Zeitgabekondensator CT (8)
verglichen wird, um eine Frequenz-unabhängige digitale Referenzphase
zu erzeugen.
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Es
wird nun auf 17 Bezug genommen; es wird eine
Darstellung des Verhältnisses
zwischen den programmierten Widerständen, der Spannung am Zeitgabekondensator
und der Referenzphase vorgenommen. Die Ladezeit des Kondensators
CT von 1 Volt auf 5,1 Volt bestimmt die Einschaltzeit der Ausgangs-Gate-Treiber
HO und Lo und entspricht –180° der möglichen
Phasenverschiebung im Laststrom, fehlende Schalttotzeit. Für den Dimm-Bereich Null
bis –90° ist die
Spannung am Anschluss MIN zwischen 1 Volt und 3 Volt begrenzt, wobei
die Anschlüsse
MIN und MAX verwendet werden. Ein externer Widerstand RMAX am Anschluss
MAX programmiert die minimale Phasenverschiebungsreferenz, oder
die maximale Lampenleistung, welche der 5-Volt-Eingangs-Dimm-Einstellungsstufe
am Anschluss DIM entspricht. Ein externer Widerstand RMIN am Anschluss
MIN stellt die maximale Phasenverschiebung oder die minimale Lampenleistung
ein, was der niedrigen Stufe des Dimm-Bereichs von 0,5 Volt am Anschluss DIM
entspricht.
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Es
wird nun auf 18 Bezug genommen; ein Schaltbild 180 stellt
einen Abschnitt des elektronischen Vorschaltgeräts bezogen auf die Stromprüfschaltung
dar. Während
des Dimm-Modus erkennt die Stromprüfschaltung Überstromlagen, die während des
harten Schattens auftreten können,
und erkennt auch Nulldurchgänge,
um die Phase des Gesamtlaststroms zu messen. Eine digitale Strommes sung-Tast-Austast-Schaltung
tastet das Prüfsignal von
dem Nulldurchgangs-Erkennungskomparator für 400 ns aus, nachdem das Treibersignal
LO auf "hoch" geht, um jegliches
Schaltrauschen abzuwehren, welches beim Einschalten des Lowside-Schalters
Q2 auftreten kann. Die interne Austastzeit von 400 ns reduziert
geringfügig
den Dimm-Bereich, wie in 19 angegeben,
wenn bei minimaler Phasenverschiebung entsprechend maximaler Lampenleistung
gearbeitet wird. Der externe Programmierwiderstand RMAX am Anschluss
MAX wird ausgewählt, um
einen minimalen Phasenverschiebungswert mit einer sicheren Grenze
von der Austastzeit bereitzustellen. Ein Reihenwiderstand R1 begrenzt
den Betrag des Stroms, der aus Anschluss CS fließt, wenn die Spannung über dem
Stromprüfwiderstand
RCS unter –0,7
Volt sink. Ein Filterkondensator am Anschluss CS kann verwendet
werden, um andere mögliche
Interferenzen mit asynchronen Rauschquellen zu reduzieren, die im
Vorschaltgerät-System vorhanden
sein können.
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Es
wird nun auf 20 Bezug genommen; es wird ein
Zeitdiagramm gezeigt, das die "hard
switching" Erkennung
darstellt. Während
des Dimm-Modus ist die Spitzenstromregulierungsschaltung, die während des
Vorheizens und Zündens
aktiv ist, deaktiviert. Wenn ein Schalten im nicht spannungslosen Zustand
am Ausgang der Schalthalbbrücke,
bestehend aus den Schaltern Q1 und Q2, erfolgt, entstehen hohe Stromspitzen.
Ein Versagen der Lampenglühdrähte, das
Ende der Lebensdauer der Lampe, das Entfernen der Lampe oder eine
Totzeit, die kürzer
ist als für
die Stromwendung erforderlich, können alle
ein "hard switching" verursachen. Dementsprechend
tritt die Steuer-IC 60 in den Fehlermodus ein und die High-
und Lowside-Treiberausgänge
HO und LO werden beide ausgeschaltet, wenn zu irgendeinem Zeitpunkt
während
des Dimm- Modus die
Spitzenspannung am Anschluss CS 1,6 Volt überschreitet. Der Fehlermodus
kann durch den Durchlauf der Versorgungsspannung an VCC unter 10,9
Volt oder durch das Erkennen von größer als 2,0 Volt am Anschluss
SD zurückgesetzt
werden. Die Steuer-IC 60 kehrt in den Vorheizmodus zurück, wie
im Zustandsdiagramm 120 in 9 dargestellt.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung in Bezug auf bestimmte Ausführungsbeispiele
derselben beschrieben worden ist, werden für Fachleute viele andere Variationen
und Modifikationen und andere Verwendungen erkennbar werden. Es
ist daher vorzuziehen, die vorliegende Erfindung nicht durch die spezielle
Offenbarung hierin, sondern nur durch die angefügten Ansprüche zu begrenzen.
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Zusammenfassung
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Eine
Dimm-Steuerung eines elektronischen Vorschaltgeräts bewirkt eine Flackerunterdrückung bereit,
indem die Leuchstofflampe (100) auf einen hohen Leistungsniveau
gezündet
wird und dann die Leistungsausgangsstufe auf die entsprechende Dimm-Einstellungsstufe
reduziert wird. Das elektronische Vorschaltgerät beinhaltet eine integrierte
Schaltung (60), die Phasenregelung und einen VCO verwendet,
um eine Schaltfrequenz einer Halbbrücke (Q1, Q2) zu steuern, welche
wiederum die Leistung steuert, die der Leuchtstofflampe zugeführt wird.
Der Strom durch die Halbbrücke
wird abgetastet, um eine Regelung bereitzustellen. Das Stromabtastsignal wird
verwendet, um ein hohes Leistungsniveau in dem elektronischen Vorschaltgerät während der
Zündung
der Lampe bereitzustellen, sowie als Phasendetektor für die Phasensteuerung.
Eine Steuerschaltung für
die Veränderung
der Geschwindigkeit steuert die Geschwindigkeit der Einstellung
zwischen den Leistungsstufeneinstellungen, speziell während der Zündung der
Lampe. Das elektronische Vorschaltgerät stellt einen weiten linearen
Dimm-Bereich mit Fehlererkennung und Flackerunterdrückung bereit.