DE202004004460U1 - Schaltungsanordnung für Notlichtbetrieb mit Gegentaktwandler - Google Patents

Abstract

Schaltungsanordnung (1) zum Betreiben einer Lampe, insbesondere einer Gasentladungslampe (LA), aufweisend
– einen Anschlüsse für die Lampe (LA) sowie eine Resonanzschaltung beinhaltenden Lastkreis (2),
– eine Batterie bzw. einen Akkumulator (3) zur Stromversorgung des Lastkreises (2) sowie
– einen den Lastkreis (2) ansteuernden Gegentaktwandler (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerfrequenz des Gegentaktwandlers (6) veränderbar ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Lampe, insbesondere einer Gasentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
• In größeren Anlagen oder Gebäuden ist der Einsatz von sog. Notlichtleuchten, welche bei einem Ausfall der allgemeinen Stromversorgung oder in sonstigen Notsituationen für eine gewisse Grundbeleuchtung sorgen, unerlässlich. Dabei kommen sowohl solche Leuchten zum Einsatz, die ausschließlich für einen Notlichtbetrieb vorgesehen sind, als auch Leuchten, die sowohl während des Normalbetriebs als auch während des Notlichtbetriebs Licht abgeben.
• Allen Leuchten, die für einen Notlichtbetrieb vorgesehen sind, ist gemeinsam, dass sie eine von der allgemeinen Stromversorgung unabhängige Stromversorgungsquelle aufweisen. Üblicherweise ist dabei den in den Leuchten vorgesehenen elektronischen Vorschaltgeräten bzw. Schaltungsanordnungen eine Batterie bzw. ein Akkumulator zugeordnet, der während des Normalbetriebs der Stromversorgung aufgeladen wird und dementsprechend bei einem Stromausfall sofort seine Energie zu Verfügung stellen kann. Da die von der Batterie bzw. dem Akkumulator zur Verfügung gestellte Energie allerdings nur begrenzt ist, muss dafür Sorge getragen werden, dass diese Energie auch möglichst optimal genutzt wird.
• In der Vergangenheit wurden verschiedene Schaltungsvarianten entwickelt, mit denen die von einer Batterie zur Verfügung gestellte Energie möglichst optimal für die Bereitstellung einer Notlichtversorgung genutzt werden kann. Viele der derzeit verwendeten Schaltungen beinhalten dabei einen sog. Gegentaktwandler, der über einen potentialtrennenden Transformator einer Treiberschaltung für die Lampe – beispielsweise einem einen Serienresonanzkreis beinhaltenden Lastkreis – eine Wechselspannung zur Verfügung stellt. Der Vorteil eines Gegentaktwandlers (eines sog. Push-Pull-Konverters) besteht dabei darin, dass dieser ebenso wie bekannte Schaltungsanordnungen elektronischer Vorschaltgeräte in der Lage ist, die von der Batterie zur Verfügung gestellte Energie in eine hochfrequente Versorgungsspannung für die Lampe umzusetzen. Dies ist deshalb wichtig, da ein lampenschonender und energieoptimierter Betrieb nur bei hohen Frequenzen sichergestellt werden kann. Eine entsprechende Schaltungsanordnung ist beispielsweise aus der DE 100 07 784 A1 der Anmelderin bekannt.
• Die bislang verwendeten Schaltungsvarianten mit Gegentaktwandlern beruhen darauf, die Primärseite des Gegentaktwandlers mit einer sog. selbstschwingenden Schaltung anzusteuern, welche den Gegentaktwandler bei einer durch die Ausgestaltung dieser Schaltung vorgegebenen Frequenz betreibt. Eine derartige Schaltung gewährleistet nicht nur den hochfrequenten Lampenbetrieb, sondern ist darüber hinaus auch kostengünstig herzustellen.
• Es hat sich allerdings in der Vergangenheit gezeigt, dass die Kombination bestehend aus einer selbstschwingenden Schaltung und einem Gegentaktwandler lediglich einen Kompromiss darstellt, der nicht zu optimalen Ergebnissen führt. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Flexibilität einer derartigen Schaltungsanordnung zu gering ist, um auf veränderte Betriebsbedingungen reagieren zu können. Beispielsweise müssen derartige Schaltungen dann derart ausgelegt sein, dass die Lampe bei einer gegenüber der Optimalleistung reduzierten Lampenleistung betrieben wird, um einen möglichst langen Notlichtbetrieb zu ermöglichen. In diesem Fall allerdings wird dann die Lampe auch unter reduzierten Leistungsbedingungen gestartet, was zu einer hohen Belastung der Lampenwendeln und Elektroden führt, so dass letztendlich die Lebensdauer der Lampe herabgesetzt wird. Darüber hinaus ist auch zu berücksichtigen, dass sich die Batterie im Laufe des Notlichtbetriebs zwangsläufig entlädt und dementsprechend die zur Verfügung gestellte Leistung schwankt.
• Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Gasentladungslampe anzugeben, welche für einen Notlichtbetrieb ausgelegt ist und mit einem nur geringen Aufwand eine flexiblere Lampenansteuerung ermöglicht, um die oben angegebenen Nachteile zu vermeiden.
• Die Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung, welche die Merkmale des Anspruches 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist nunmehr vorgesehen, die Ansteuerfrequenz des Gegentaktwandlers zu verändern. Hierfür kann beispielsweise ein sog. spannungsgesteuerter Oszillator verwendet werden, der in Abhängigkeit von einem entsprechenden Steuersignal einer Steuer- und/oder Regelschaltung ein Ausgangssignal mit einer gewünschten Frequenz erzeugt. Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass zum einen auf steuerbare Schaltelemente wie beispielsweise Transistoren oder dgl. verzichtet wird, andererseits allerdings trotz allem die Vorteile einer frequenzgesteuerten Leistungsregelung im Lampenbetrieb erzielt werden.
• Durch eine Veränderung der Ansteuerfrequenz des Gegentaktwandlers besteht somit nunmehr die Möglichkeit, optimale Bedingungen für den Lampenbetrieb zu realisieren und insbesondere eine Steuerung entsprechend dem aktuellen Betriebszustand vorzunehmen. So können zum einen nunmehr vollkommen andere Bedingungen für das Vorheizen und Zünden der Lampe eingestellt werden, während hingegen nach einer erfolgreichen Zündung der Lampe die Leistung herabgesetzt werden kann, um möglichst wenig Energie zu verbrauchen und damit einen langen Notlichtbetrieb zu ermöglichen. Um allerdings vor dem Herabsetzen der Lampenleistung ein Aufheizen der Lampe, insbesondere der Wendeln bzw. Elektroden auf eine erforderliche Temperatur zu gewährleisten, kann vorgesehen sein, beispielsweise während einer Zeitdauer von 1 Minute nach dem Zünden die Lampe noch mit erhöhter Leistung zu betreiben. Dieser sog. Boost-Betrieb führt dazu, dass die Lampe zuverlässig in einen optimalen Betriebszustand überführt wird.
• Durch die Möglichkeit, die Ansteuerfrequenz für den Gegentaktwandler einstellen zu können, besteht nunmehr auch die Möglichkeit, die Leistung an verschiedene Lampentypen anzupassen. So kann insbesondere eine Frequenz eingestellt werden, welche für einen Notlichtbetrieb des jeweils vorliegenden Lampentyps besonders gut geeignet ist. Die Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung bietet somit nunmehr auch die Möglichkeit, unterschiedliche Lampentypen zu verwenden.
• Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht auch darin, dass der aktuelle Zustand der die Energie für den Notlichtbetrieb bereitstellenden Batterie berücksichtigt werden kann. In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, dass sich der Zustand der Batterie im Laufe des Notlichtbetriebs aufgrund der fortschreitenden Entladung zwangsläufig ändert. Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist deshalb vorgesehen, den Gegentaktwandler in Abhängigkeit von dem aktuellen Entladezustand der Batterie anzusteuern. Insbesondere kann der Gegentaktwandler nunmehr derart angesteuert werden, dass die Entladung der Batterie entsprechend einem gewünschten Entladeprofil erfolgt, wodurch sichergestellt ist, dass die zur Verfügung gestellte Energie optimal genutzt wird. Hierzu kann eine Überwachungsschaltung vorgesehen sein, welche ein dem Entladestrom der Batterie entsprechendes Signal erzeugt und an die Steuer- und/oder Regelschaltung übermittelt, welche dieses Signal bei der Erzeugung des Steuersignals für den spannungsgesteuerten Oszillator berücksichtigt. Hierbei kann insbesondere auch vorgesehen sein, die Lampe vor einem endgültigen Entladen der Batterie abzuschalten, um eine sog. Tiefentladung, die zu einer Beschädigung der Batterie führen könnte, zu vermeiden.
• Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden. Die einzige 1 zeigt dabei den schematischen Aufbau eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
• Die in 1 dargestellten Bestandteile der bevorzugten Schaltungsanordnung sind für die Durchführung des Notlichtbetriebs entsprechend dem erfindungsgemäßen Gedanken erforderlich. Anzumerken ist, dass 1 ausschließlich die für die Durchführung des Notlichtbetriebs zuständigen Komponenten zeigt, nicht jedoch evtl. weitere Bestandteile einer Schaltungsanordnung bzw. eines Vorschaltgeräts, das beispielsweise auch für einen Normalbetrieb vorgesehen sein könnte und hierzu Kommunikationsmittel oder dgl. enthält, um Helligkeits- oder Dimmwertbefehle von einer zentralen Steuereinrichtung zu erhalten.
• Die allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehene Schaltungsanordnung ist zum Betrieb einer Gasentladungslampe LA vorgesehen, welche an einen Lastkreis 2 mit einem Serienresonanzkreis angeschlossen ist. Die Energieversorgung der Lampe LA sowie der gesamten Schaltungsanordnung 1 erfolgt durch eine Notstromquelle in Form einer Batterie 3 oder eines Akkumulators, der beispielsweise an die allgemeine Stromversorgung angeschlossen ist und während eines Normalbetriebs der Schaltungsanordnung durch die Stromversorgung aufgeladen wird.
• Die Ansteuerung des Lastkreises 2 mit dem Serienresonanzkreis und der Lampe LA erfolgt durch eine Ansteuerschaltung, die aus einem spannungsgesteuerten Oszillator 5 und einem Gegentaktwandler 6 besteht. Der Einsatz von Gegentaktwandlern (sog. Push-Pull-Konvertern) in Schaltungsanordnungen für einen Notlichtbetrieb ist bereits seit langem bekannt, da derartige Schaltungen besonders gut dafür geeignet sind, die von einer Batterie zur Verfügung gestellte Energie in eine hochfrequente Wechselspannung, wie sie für den effizienten Betrieb von Gasentladungslampen erforderlich ist, umzusetzen. Üblicherweise wird der Gegentaktwandler in solchen Fällen bei einer bestimmten Frequenz betrieben, was beispielsweise durch die Ansteuerung der Primärseite des Gegentaktwandlers mit einer Festfrequenz erzielt wird. Besonders einfache Schaltungen können auch dadurch erhalten werden, dass die Primärseite des Gegentaktwandlers eine sog. selbstschwingende Schaltung aufweist, die mit einer bestimmten Frequenz schwingt.
• Die Steuerung der einer Gasentladungslampe zugeführten Leistung erfolgt in solchen Fällen, in denen die Lampe an einen Lastkreis mit einem Serienresonanzkreis angeschlossen ist, allerdings üblicherweise dadurch, dass die Frequenz der dem Lastkreis zugeführten Wechselspannung verändert wird. Je nachdem, wie stark die Frequenz der Versorgungsspannung von der Resonanzfrequenz des Lastkreises abweicht, stellt sich dann eine bestimmte Lampenleistung ein.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nunmehr im Gegensatz zu den bislang bekannten Lösungen der Gegentaktwandler 6 nicht mehr bei einer Festfrequenz betrieben sondern stattdessen frequenzvariabel angesteuert. Hierzu ist dem Gegentaktwandler 6 der spannungsgesteuerte Oszillator 5 vorgeschaltet, dessen Ausgangssignal die Primärseite des Gegentaktwandlers 6 ansteuert. Durch eine Änderung der von dem Oszillator 5 ausgegebenen Frequenz kann somit letztendlich die Lampenleistung gesteuert werden.
• Eine Steuerung des Lampenbetriebs und der damit verbundenen Entladung der Batterie 3 erfolgt durch eine Steuer- und/oder Regelschaltung 4, welche geeignete Steuersignale erzeugt und an den spannungsgesteuerten Oszillator 5 übermittelt. Das Ausgangssignal der Steuer- und/oder Regelschaltung 4 wird dann von dem spannungsgesteuerten Oszillator 5 in ein Ausgangssignal mit veränderlicher Frequenz umgesetzt, mit dem wiederum der Gegentaktwandler 6 betrieben wird, der schließlich den Lastkreis 2 mit einer Versorgungsspannung der entsprechenden Frequenz versorgt. Auf diese Weise kann somit die Steuer- und/oder Regelschaltung 4 durch eine Veränderung ihres Ausgangssignals die der Lampe LA zugeführte Leistung und steuern.
• Genau genommen kann sogar eine Regelung der Lampenleistung erfolgen, da bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 auch die Möglichkeit besteht, die Lampenleistung zu überwachen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt dies dadurch, dass mit Hilfe einer Überwachungsschaltung 7 der Entladevorgang der Batterie 3 überwacht wird, wobei die Überwachungsschaltung 7 ein dem Entladestrom entsprechendes Signal an die Steuer- und/oder Regelschaltung 4 übermittelt, das wiederum Auskunft über die der Lampe LA zugeführte Leistung liefert. Der sich hierdurch ergebende Regelkreis kann 1 entnommen werden.
• Die soeben erläuterte frequenzvariable Ansteuerung des Gegentaktwandlers 6 erlaubt es nunmehr, die Lampe LA in den verschiedenen Betriebsphasen unter optimalen Bedingungen anzusteuern. Insbesondere besteht nun die Möglichkeit, vor einer Zündung der Lampe LA einen sog. Vorheizbetrieb durchzuführen, in dem lediglich die Lampenwendeln durch einen Stromfluß aufgeheizt werden, in dem allerdings noch keine Zündung der Lampe LA erfolgt. Dieses Vorheizen hat zur Folge, dass die Austrittsarbeit für Elektronen aus den Lampenelektroden deutlich reduziert wird, so dass die spätere Zündung schonender durchgeführt werden kann.
• Auch die Lampenzündung kann nunmehr unter optimierten Bedingungen erfolgen und muss nicht – wie dies bei einer Ansteuerung des Gegentaktwandlers 6 mit einer Festfrequenz der Fall ist – bereits unter reduzierten Leistungsbedingungen erfolgen, welche eine hohe Belastung für die Lampe darstellen würden. Dabei ist besonders hervorzuheben, dass die frequenzvariable Ansteuerungen des Gegentaktwandlers 6 eine Zündung der Lampe LA in üblicher Weise ermöglicht, bei der die in einem Lastkreis mit einem Serienresonanzkreis angeordnete Lampe zunächst mit einer Versorgungsspannung mit sehr hoher Frequenz betrieben und anschließend die Frequenz solange in Richtung der Resonanzfrequenz abgesenkt wird, bis eine Zündung der Lampe erfolgt. Bei den bislang bekannten Schaltungsanordnungen, bei denen diese Frequenzveränderungen nicht durchgeführt werden konnten, mussten stattdessen spezielle Batterien oder Schaltungen zum Starten der Lampe verwendet werden.
• Vorzugsweise ist ein sog. Boost-Start vorgesehen, bei dem die Lampe nach erfolgter Zündung zunächst für einen bestimmten Zeitraum – beispielsweise für eine Minute – bei erhöhter Leistung betrieben wird, so dass sich die Elektroden auf eine optimale Betriebstemperatur aufheizen können. Erst anschließend wird dann die Leistung auf einen deutlich niedrigeren Wert reduziert, um den Energieverbrauch möglichst gering zu halten und eine möglichst lange Nutzung der Leuchte für einen Notlichtbetrieb ermöglichen zu können.
• Ein weiterer Vorteil der frequenzvariablen Ansteuerung besteht ferner darin, dass die Lampenleistung und damit die Helligkeit verändert werden kann. Auch wenn dies für einen Notlichtbetrieb nicht unbedingt erforderlich ist, bedeutet dies, dass auf spezielle Situationen jederzeit in geeigneter Weise reagiert werden kann.
• Die Steuer- und Regelschaltung 4 kann darüber hinaus auch dazu ausgestaltet sein, den Betrieb der Lampe LA auf mögliche Fehlerquellen und dgl. hin zu überprüfen. Auch das Vorheizen und die Durchführung der Zündung der Lampe LA kann durch die Steuer- und Regelschaltung 4 überprüft werden, wobei ggf. eine Zündung wiederholt durchgeführt wird, falls ein erster Zündversuch fehlgeschlagen ist. Die realisierte Regelschleife gestattet es darüber hinaus auch, die Lampenleistung trotz nicht zu vermeidender Bauteiltoleranzen auf einen gewünschten Wert einzustellen.
• Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht schließlich darin, dass die von der Batterie 3 zur Verfügung gestellte Energie optimal genutzt werden kann. Hierfür ist insbesondere von Bedeutung, auf welche Weise die Batterie 3 entladen wird. Da sich während des Energieverbrauchs der Zustand der Batterie 3 fortwährend ändert, hat ein Lampenbetrieb bei einer vorgegebenen Leistung nicht immer eine optimale Energienutzung zur Folge. Mit Hilfe der Überwachungsschaltung 7 besteht nunmehr allerdings auch die Möglichkeit, die Lampe LA derart zu betreiben, dass die Entladung der Batterie 3 auf möglichst optimale Weise erfolgt.
• Insbesondere kann hierzu vorgesehen sein, dass das von der Steuer- und/oder Regelschaltung 4 ausgegebene Signal den aktuellen Ladezustand der Batterie 3 berücksichtigt, wozu das von der Überwachungsschaltung 7 an die Steuer- und/oder Regelschaltung übermittelte Signal berücksichtigt wird. Der Lampenbetrieb kann dann derart angepasst werden, dass ein optimaler Entladestrom für die Batterie 3 vorliegt. Die hierbei eventuell auftretenden geringfügigen Schwankungen in der Lampenleistung können in Kauf genommen werden, da der Vorteil der optimalen Energienutzung dies wieder ausgleicht. Durch einen auf den Entladestrom geregelten Lampenbetrieb kann nämlich der Zeitraum, über den hinweg ein Notlicht zur Verfügung gestellt wird, nochmals deutlich verlängert werden.
• Schließlich kann die Steuer- und/oder Regelschaltung auch vorsehen, die Lampe abzuschalten, bevor eine endgültige Entladung der Batterie 3 erfolgt. Dies ist deshalb von Vorteil, da hierdurch eine sog. Tiefentladung der Batterie 3, bei der diese evtl. beschädigt werden könnte, vermieden wird.
• Die erfindungsgemäße frequenzvariable Ansteuerung des Gegentaktwandlers ermöglicht somit auch während eines Notlichtbetriebs einen optimalen Betrieb der Lampe unter Berücksichtigung des aktuellen Betriebszustands sowie des Entladezustands der Batterie. Dabei zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung insbesondere auch dadurch aus, dass keine steuerbaren Schaltelemente erforderlich sind und die Vorteile mit einem verhältnismäßig geringen Aufwand erzielt werden können.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung (1) zum Betreiben einer Lampe, insbesondere einer Gasentladungslampe (LA), aufweisend – einen Anschlüsse für die Lampe (LA) sowie eine Resonanzschaltung beinhaltenden Lastkreis (2), – eine Batterie bzw. einen Akkumulator (3) zur Stromversorgung des Lastkreises (2) sowie – einen den Lastkreis (2) ansteuernden Gegentaktwandler (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerfrequenz des Gegentaktwandlers (6) veränderbar ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen spannungsgesteuerten Oszillator (5) zum Ansteuern des Gegentaktwandlers (6) sowie eine Steuer- und/oder Regelschaltung (4) zum Erzeugen eines Steuersignals für den spannungsgesteuerten Oszillator (5).
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regelschaltung (4) das Steuersignal für den spannungsgesteuerten Oszillator (5) in Abhängigkeit von dem Ladeszustand der Batterie bzw. des Akkumulators (3) erzeugt.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Überwachungsschaltung (7) zum Überwachen und Erzeugen eines dem Ladezustand der Batterie bzw. des Akkumulators (3) entsprechenden Signals, welches der Steuer- und/oder Regelschaltung (4) als Eingangssignal zugeführt wird.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsschaltung (7) den Entladestrom der Batterie bzw. des Akkumulators (3) erfasst.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerfrequenz des Gegentaktwandlers (6) von dem aktuellen Betriebszustand der Lampe (LA) abhängig ist.