DE19733939A1 - Schaltungsanordnung zum dimmbaren Betrieb einer Leuchtstofflampe - Google Patents

Schaltungsanordnung zum dimmbaren Betrieb einer Leuchtstofflampe

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum dimmbaren Betrieb einer Leuchtstofflampe, insbesondere zum Einsatz in Kraftfahrzeugen als Instrumentenbeleuchtung. Aus dem Stand der Technik sind entsprechende Schaltungsanordnungen bekannt, bei denen die Leuchtstofflampe mit einer Betriebsfrequenz betrieben wird. Durch das Ein- und Ausschalten der Betriebsfrequenz mit einer Vorrichtung und damit der Lampe mit einer Dimmfrequenz, die oberhalb der Sehfrequenz des menschlichen Auges liegt, wird erreicht, daß für das menschliche Auge der Eindruck entsteht, die Leuchtstofflampe sei verschieden hell, je nach Pulsweite der Dimmfrequenz. Um den Lampenstrom durch die Leuchtstofflampe einzustellen, ist es erforderlich, entweder einen zusätzlichen Regler vorzusehen, oder einen aufwendig stabilisierten Schwingkreis zu verwenden. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine einfach aufgebaute Schaltungsanordnung zum Dimmen einer Leuchtstofflampe anzugeben.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß durch die Vorrichtung, die die Betriebsfrequenz mit der Dimmfrequenz ein- und ausschaltet, gleichzeitig die Versorgungsspannung mit einer Schaltfrequenz ein- und ausschaltbar ist und dadurch der Lampenstrom einstellbar ist, wobei die Schaltfrequenz größer als die Betriebsfrequenz ist.
Durch die Ausgestaltung der Schaltung mit einem Gegentaktwandler zum Erzeugen der Betriebsfrequenz wird eine einfach aufgebaute funktionelle Realisierung von Oszillator und Regler erreicht.
Ein besonders einfach aufgebauter Gegentaktwandler wird durch einen Schwingkreis bestehend aus einer Kapazität und einer Induktivität realisiert, der mit einem ersten Pol der Versorgungsspannung verbunden ist. Der Schwingkreis ist weiterhin abwechselnd über zwei Schalter direkt oder über einen dritten Schalter mit dem zweiten Pol der Versorgungsspannung verbindbar. Die zwei Schalter sind dabei mit je einem Anschluß an die Anschlüsse der Kapazität und/oder der Induktivität angeschlossen. Die Leuchtstofflampe kann bei dieser Schaltung entweder parallel zur Induktivität und/oder Kapazität angeordnet sein oder über einen Transformator mit der Betriebsfrequenz versorgt werden, wobei die Primärwicklung des Transformators vorteilhafterweise die Induktivität des Schwingkreises bildet.
Die Verwendung von elektronischen Schaltern wie z. B. Transistoren oder Feldeffekttransistoren stellt eine preisgünstige Lösung für die Schalter dar.
Mit einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 wird eine Schaltungsanordnung mit wenigen Bauteilen realisiert.
Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 gibt eine besonders wirksame Regelung des Lampenstromes an, die dennoch einfach und mit wenigen Bauteilen aufgebaut ist.
Die Mitkopplungseinrichtung in Form einer Spule, die auf denselben Spulenkörper wie die Induktivität aufgebracht ist, läßt sich einfach und gleichzeitig mit der Induktivität herstellen.
Dadurch, daß der Lampenstromsollwert in Abhängigkeit der Temperatur der Leuchtstofflampe oder der Umgebung vorgegeben wird, wird eine Mindesthelligkeit auch bei tiefen Temperaturen erreicht.
Eine besonders einfach aufgebaute erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist in Anspruch 9 angegeben. Insbesondere bei Verwendung eines Mikroprozessors für die Steuereinrichtung, der eventuell sogar schon für andere Aufgaben, zum Beispiel in einem Kombiinstrument eines Kraftfahrzeuges vorhanden ist und die erfindungsgemäße Helligkeitssteuerung für die Instrumentenbeleuchtung verwendet wird, ist die Schaltung mit geringem Bauteileaufwand zu realisieren. Natürlich kann die Schaltung auch mit einem separaten Mikroprozessor oder mittels Schaltgattern realisiert sein.
Durch eine Schaltungsanordnung, bei der die Betriebsfrequenz der Leuchtstofflampe in etwa der Resonanzfrequenz des Schwingkreises entspricht, erhält man eine nahezu sinusförmige Betriebsfrequenz mit wenig Oberschwingungen. Dies vermindert Störungen, die von der Schaltung ausgehen können und erhöht so die elektromagnetische Verträglichkeit der Schaltung.
Durch gleichzeitiges Ein- und darauffolgendes Ausschalten der beiden Schalter vor oder bei Beginn der Impulsfolgepause kann der im Schwingkreis enthaltene Strom kurzgeschlossen und so ein Nachleuchten der Leuchtstofflampe sicher verhindert werden. Durch das Einfügen einer Vorschaltdrossel zwischen einen Pol der Versorgungsspannung und den Schwingkreis kann der Strom durch die Schaltung zusätzlich stabilisiert und sinusförmig gehalten werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren für zwei mögliche Ausgestaltungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Schaltung mit einem Gegentaktwandler,
Fig. 2 einzelne Verläufe von Zustandsgrößen der Schaltung aus Fig. 1,
Fig. 3 eine zweite Schaltung mit einem Gegentaktwandler,
Fig. 4 einzelne Verläufe von Zustandsgrößen der Schaltung aus Fig. 3.
Der Gegentaktwandler aus Fig. 1 weist einen Schwingkreis bestehend aus dem Kondensator C und der Spule L auf, der direkt mit der positiven Versorgungsspannung verbunden ist und über die Transistoren S1, S2 abwechselnd mit dem Masse Potential über die Vorschaltdrossel Lv und den Transistor S3 verbindbar ist. Die folgende Beschreibung geht davon aus, daß der Transistor S3 durchgeschaltet ist, das heißt, daß die Transistoren S1, S2 mit dem zweiten Pol der Versorgungsspannung verbunden sind. Durch die Spule L1, die auf demselben Spulenkörper wie die Spule L gewickelt ist, wird die Spannung mitgekoppelt und die auftretende Wechselspannung sperrt abwechselnd die Transistoren S1, S2 mit der Schwingfrequenz des Resonanzkreises. Über den Widerstand R wird der Arbeitspunkt der beiden Transistoren S1, S2 eingestellt. Der Schwingkreis schwingt mit seiner Resonanzfrequenz ω = 1 : √L × C, wobei L die Induktivität der Spule und C die Kapazität des Kondensators C darstellt. Der Schwingkreis überträgt seine Energie über den Trafo, der aus den Spulen L, L1 und L2 gebildet wird, auf den Lampenstromkreis, der außer der Spule L2 noch die Leuchtstofflampe KL, die Impedanz Z und einen Shunt S aufweist. Zwischen der Leuchtstofflampe KL und dem Shunt S wird die Spannung abgegriffen und dem Gleichrichter G zugeführt. Die gleichgerichtete Spannung U1 liegt am Minuseingang des Komparators K an. An dem positiven Eingang des Komparators liegt eine sägezahnförmige Spannung U2 mit der Frequenz f3 = 1 : T3 an, deren Verlauf in Fig. 2b dargestellt ist. Je nach dem Lampenstrom IL und der sich dadurch über den Shunt S einstellenden Spannung wird die am Ausgang des Komparators K anliegende Rechteckspannung U3 der Frequenz f3 in ihrer Pulsweite W3 verändert.
Je höher der Lampenstrom ist, um so kürzer wird die Pulsweite W3 der Rechteckspannung. In Fig. 2c ist die Ein- und Ausschaltdauer der dargestellten Impulse gleich.
Wird der Lampenstrom IL größer, wird die Pulsweite W3 kürzer, bei kleinerem Strom entsprechend länger. Die Stromsollwertvorgabe kann durch die Höhe der Dreieckspannung in Fig. 2b eingestellt werden. Die Ausgangsspannung U3 des Komparators K wird auf einen Eingang des UND-Gliedes A geführt, während auf den zweiten Eingang des UND-Gliedes A die Dimmfrequenz f2 mit dem Spannungsverlauf U4 gelegt wird (Fig. 2a). Die Dimmfrequenz f2 ist rechteckförmig und in ihrer Pulsweite W2 ebenfalls veränderbar. Die Pulsweite W2 der Dimmfrequenz f2 bestimmt die Einschaltdauer des Gegentaktwandlers und damit der Leuchtstofflampe KL, wie später noch genauer beschrieben werden wird. Die Pulsweite W2 der Dimmfrequenz f2 ist z. B. entweder automatisch in Abhängigkeit der Umgebungshelligkeit oder manuell je nach gewünschter Helligkeit der Leuchtstofflampe KL einstellbar.
Am Ausgang des UND-Gliedes A steht die Spannung US an: Sie weist während der Pulsweite W2 der Dimmfrequenz f2 Schaltimpulse der Pulsweite W3 mit der Schaltfrequenz f3 auf. Somit wird der Transistor S3 während der Schaltimpulse mit der Pulsweite W3 durchgesteuert. Mit dem ersten Impuls mit der Pulsweite W3 während einer Pulsweite W2 der Dimmfrequenz f2 wird der Transistor S3 durchgeschaltet. Während dieser Zeit kann der Strom IB aus der Versorgungsspannungsquelle + UB in den Schwingkreis fließen. Der Schwingkreis beginnt mit seiner Resonanzfrequenz zu schwingen. Wenn nach dem ersten Impuls der Pulsweite W3 zum Zeitpunkt t2 der Transistor S3 sperrt, schwingt der Schwingkreis weiter und der im Schwingkreis gespeicherte Strom fließt durch die Vorschaltdrossel Lv und die als Freilaufdiode geschaltete Diode D in den Schwingkreis zurück, nimmt aber entsprechend ab.
Mit dem nächsten Schaltimpuls der Pulsweite W3 zum Zeitpunkt t3 schaltet der Transistor S3 wieder durch: Es kann erneut Strom aus der Versorgungsspannungsquelle + UB in den Resonanzkreis fließen und der Strom IB nimmt während der Einschaltdauer zu.
Der Strom schwankt so während der Pulsweite W2 der Dimmfrequenz f2 um seinen Mittelwert IM (Fig. 2f). Mit sich vergrößernder bzw. verkleinernder Impulsweite W3 wird entsprechend der Strom IB vergrößert bzw. verkleinert und über den Trafo entsprechend der Lampenstrom IL. Wenn die Pulsweite W2 der Dimmfrequenz f2 beendet ist und der letzte Impuls der Impulsfolge der Frequenz f3 zum Zeitpunkt t4 am Transistor S3 angelegen hat, wird der Transistor S3 während der Pausenzeit P der Frequenz f2 gesperrt. Der Schwingkreis schwingt aufgrund seiner Belastung durch die Lampe KL und eigener Verluste aus, die Ströme IB und IL werden wieder zu 0 und die Leuchtstofflampe verlischt. Mit Beginn des nächsten Impulses der Dimmfrequenz f2 beginnt sie wieder zu leuchten wie zuvor beschrieben. Da die Dimmfrequenz f2 oberhalb der menschlichen Sehfrequenz liegt, erscheint dem menschlichen Auge die Leuchtstofflampe je nach Pulsweite W2 verschieden hell.
Die Leuchtstofflampe KL kann bei genügend großer Versorgungsspannung auch im Primärstromkreis z. B. parallel zum Kondensator C angeordnet werden, so daß auf die Sekundärspule L2 verzichtet werden kann. Weiterhin kann auch über einen Shunt im Primärstromkreis die Spannung für den Gleichrichter G abgegriffen werden.
Die Schaltung aus Fig. 3 weist ebenfalls einen Schwingkreis bestehend aus dem Kondensator C und der Spule L auf, der mit der positiven Versorgungsspannung verbunden ist und über die Transistoren S4, S5 abwechselnd mit dem Masse Potential verbindbar ist. Die Steuereinrichtung SE ist über jeweils eine Steuerleitung SL1, SL2 mit der Basis der Transistoren S4, S5 verbunden.
Über die Steuerleitungen SL1, SL2 werden die Transistoren S4, S5 während der Pulsweite W2 der Dimmfrequenz f2 (Fig. 4a) mit den Pulsfolgen mit der Schaltfrequenz f3 abwechselnd angesteuert, wobei die Dauer T5 der einzelnen aneinander hängenden Impulse für einen Transistor S4, S5 die Hälfte der Schwingungsdauer T1 des Schwingkreises beträgt (Fig. 4b, c). So erhält der Schwingkreis die Frequenz f1 = 1 : T1 aufgeprägt (Fig. 4d).
Sofern die Frequenz f1 gleich der Resonanzfrequenz des Schwingkreises ist, schwingt der Schwingkreis nahezu sinusförmig, so daß nur geringe störende Oberwellen auftreten. Deshalb ist es ebenso vorteilhaft, wenn die Schwingungsdauer T der Resonanzfrequenz ein gradzahliges Vielfaches der Schwingungsdauer T3 der Schaltfrequenz f3 ist.
In Fig. 4 entspricht die Schwingungsdauer T1 des Schwingkreises der vierfachen Schwingungsdauer T3 der einzelnen Impulse. Durch die Pulsweite W3 der einzelnen Impulse wird der mittlere Strom IM im Primärkreis und damit auch der Lampenstrom IL im Sekundärkreis eingestellt.
Sofern man am Ende des Dimmimpulses zum Zeitpunkt t5 beide Transistoren S4, S5 gleichzeitig durchsteuert (Fig. 2b, c), wird der im Schwingkreis vorhandene Strom kurzgeschlossen, so daß er rasch auf einen Nullpunkt sinkt und so die Leuchtstofflampe KL ohne unkontrolliertes Nachleuchten ausschaltet.
Die Dimmfrequenz f2 ist nur in der Steuereinrichtung SE intern vorhanden. Ihre Pulsweite W2 bestimmt die Einschaltdauer des Schwingkreises und damit die Einschaltdauer der Leuchtstofflampe KL. Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung entspricht einer Steuerung. Hierzu können einzelne Pulsweitenwerte W2 der Dimmfrequenz f2 für verschiedene gewünschte Helligkeiten und/oder Betriebstemperaturen in die Speichereinrichtungen abgelegt sein, die in der Speichereinrichtung SE direkt vorhanden sind oder auf die die Steuereinrichtung SE zugreifen kann.
Auch ist es möglich, eine Regelung dadurch aufzubauen, daß z. B. die Ströme IB oder IL gemessen werden und der Lampenstrom entsprechend ausgeregelt wird.

Claims (16)

1. Schaltungsanordnung zum dimmbaren Betrieb einer Leuchtstofflampe mit einer bestimmten Betriebsfrequenz (f1), mit einer Vorrichtung zum Ein- und Ausschalten der Betriebsfrequenz (f1) mit einer Dimmfrequenz (f2), wobei die Pulsweite (W2) der Dimmfrequenz (f2) veränderbar ist, und wobei die Dimmfrequenz (f2) kleiner als die Betriebsfrequenz (f1) ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtstofflampenstrom durch Ein- und Ausschalten der Versorgungsspannung mit einer Schaltfrequenz (f3) mit veränderbarer Pulsweite (W3) einstellbar ist, wobei die Schaltfrequenz (f3) größer ist als die Betriebsfrequenz (f1).
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Gegentaktwandler zum Erzeugen der Betriebsfrequenz (f1) aufweist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegentaktwandler einen Schwingkreis mit einer Kapazität (C1) und einer Induktivität (L) aufweist,
daß der Schwingkreis mit einem ersten Pol der Versorgungsspannung verbunden ist,
daß der Schwingkreis abwechselnd über einen ersten und zweiten Schalter (S1, S2, S4, S5), die jeweils an einem Anschluß der Induktivität (L) und/oder der Kapazität (C) angeschlossen sind, mit dem zweiten Pol der Versorgungsspannung direkt oder über einen dritten Schalter (S3) verbindbar ist,
daß der erste und zweite Schalter (S1, S2, S4, S5) mit jeweils einem Leistungsanschluß an jeweils einen Anschluß der Induktivität (L) und/oder der Kapazität (C) angeschlossen sind,
daß die Leuchtstofflampe (KL) parallel zur Induktivität (L) und/oder Kapazität (C) angeordnet ist oder über einen Transformator mit der Betriebsfrequenz (f1) versorgbar ist, wobei eine Primärwicklung des Transformators vorteilhafterweise die Induktivität (L) des Schwingkreises bildet.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (S1, S2, S3, S4, S5) elektronische Schalter sind.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Schalter (S1, S2) mit seinem jeweiligen Leistungsanschluß über den dritten Schalter (S3) mit dem zweiten Pol der Versorgungsspannung verbindbar ist,
daß der dritte Schalter (S3) über ein Stromventil (D) mit dem ersten Pol der Versorgungsspannung verbunden ist,
daß das Stromventil (D) als Freilaufdiode dient wenn der dritte Schalter nicht leitend ist, daß die Steueranschlüsse des ersten und zweiten Schalters (S1, S2) mit einer Mitkopplungseinrichtung verbunden sind,
daß der dritte Schalter mit Impulsfolgen betätigbar ist, bei der die einzelnen Impulse eine Schaltperiode (T3 = 1 : f3) aufweisen und während der Dauer der Impulsweiten (W2) der Dimmfrequenz (f2) freigegeben werden.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Steueranschluß des dritten Schalters der Ausgang eines UND-Gliedes (U) angeschlossen ist, an dessen einem Eingang die Dimmfrequenz (f2) anliegt und an dessen anderen Eingang der Ausgang eines Komparators (K) anliegt, an dessen positivem Eingang ein Säge- oder dreieckförmiges Signal mit der Schaltfrequenz (f3) und an dessen negativem Eingang ein Signal anliegt, das dem tatsächlichen oder angenommenen Lampenstrom (IL) oder dem Primärstrom (IB) entspricht.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitkopplungseinrichtung aus einer Spule (L1) besteht, die auf denselben Spulenkörper wie die Induktivität (L) gewickelt ist und deren jeweiligen Anschlüsse mit den Steueranschlüssen des ersten bzw. zweiten Schalters (S1, S2) verbunden sind.
8. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lampenstrom-Sollwert (IL) in Abhängigkeit der Temperatur der Leuchtstofflampe oder der Umgebung vorgegeben wird.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Schalter (S4, S5) mit jeweils einem Leistungsanschluß mit dem zweiten Pol der Versorgungsspannung verbunden ist, daß der erste und zweite Schalter (S4, S5) mit seinem jeweiligen Steueranschluß mit einer Steuerungseinrichtung (SE) verbunden ist, daß die Steuerungseinrichtung (SE) die Schalter (S4, S5) mit Impulsfolgen, deren einzelne Impulse die Schaltperiodendauer (T3) aufweisen, abwechselnd ansteuert, wobei die Dauer (T5) der einzelnen aneinanderhängenden Impulse für einen Schalter (S4, S5) die Hälfte der Schwingungsdauer (T1) des Schwingkreises beträgt.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltfrequenz (f3) ein geradzahlig Vielfaches der Betriebsfrequenz (f1) ist.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsfrequenz (f1) in etwa der Resonanzfrequenz des Schwingkreises entspricht.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (SE) beide Schalter (S4, S5) vor oder bei Beginn der Impulsfolgepause gleichzeitig ein- und danach wieder ausschaltet.
13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (SE) die Pulsweiten (W3) der Schaltfrequenz (f3) in Abhängigkeit des Lampenstroms regelt.
14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (SE) die Pulsweiten (W3) der Schaltfrequenz (f3) aufgrund der Temperatur der Lampe oder der Umgebung steuert.
15. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung die Pulsweite (W2) der Dimmfrequenz (f2) in Abhängigkeit der Umgebungshelligkeit oder eines Sollwertgebers steuert.
16. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9-15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorschaltdrossel (Lv) zwischen einem Pol der Versorgungsspannung und dem Schwingkreis angeordnet ist.
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