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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von Entladungslampen
gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie eine Einrichtung zur Prüfung der Strahlungsintensität einer
Gruppe von gemeinsam betriebenen Entladungslampen nach Anspruch
5.
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Aus
der PCT-WO 02/056644 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum
mehrphasigen Betreiben einer Gasentladungs- bzw. einer Metalldampflampe
vorbekannt.
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Gemäß der dortigen
Aufgabenstellung soll der Bauteileaufwand eingeschränkt und
gleichzeitig ein gefordertes Maß an
elektromagnetischer Verträglichkeit
und geringer Oberwellen-Störstrahlung
gesichert werden.
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Hierfür wird gemäß der Lehre
nach PCT-WO 02/056644 A1 eine Vorrichtung zum Steuern der Beleuchtungsstärke von
Entladungslampen bereitgestellt, welche einen Mehrphasen-Vollweggleichrichter aufweist,
welcher ausgangsseitig mit einer Mehrphasen-Spannungsquelle verbunden
ist. Weiterhin ist eine gesteuerte Schaltereinrichtung vorgesehen,
die eingangsseitig mit der Ausgangsseite des Mehrphasen-Vollweggleichrichters
in Verbindung steht und die ausgangsseitig mit einem Resonanzkreis,
an den die Gasentladungslampe bzw. die Metalldampflampe anschließbar ist,
verbunden wird. Darüber
hinaus umfaßt
die vorbekannte Vorrichtung eine Steuerschaltung zur Ansteuerung
der Schaltereinrichtung entsprechend einem extern zugeführten Steuersignal,
um die in die Gasentladungslampe eingekoppelte Energie zu steuern,
wobei durch die gleichgerichtete Mehrphasenspannung der Leistungsfaktor
der Vorrichtung größer als
0,95 sein soll.
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Durch
die Gleichrichtung der Mehrphasen-Wechselspannung mittels des Vollweggleichrichters
stellt sich am Ausgang des Gleichrichters eine Gleichspannung mit
nur noch einer geringen Welligkeit ein. Aufgrund der geringen Welligkeit
in Verbindung mit der höheren
Frequenz der Spannungswelligkeit treten bei der Beleuchtungsstärke der
Gasentladungslampe nur sehr geringe, aufgrund der höheren Brummfrequenz
kaum wahrnehmbare Schwankungen auf. Dies soll bei bestimmten Anwendungsgebieten,
z.B. in Solarien oder medizinischen Einrichtungen, von Vorteil sein.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
gemäß dem geschilderten
Stand der Technik ist ein Stützkondensator
an der Ausgangsseite des Mehrphasen-Vollweggleichrichters vorgesehen, um
kurze Spannungseinbrüche
beim Schalten der Halbbrücke auszugleichen.
Ebenso besteht die Möglichkeit
einer Vorsteuerung, die das externe Steuersignal gegensinnig zu
einer Restwelligkeit der gleichgerichteten Mehrphasenspannung moduliert.
Hierdurch sollen noch vorhandene Beleuchtungsschwankungen ausgeregelt
werden. Die Halbbrücken-Treiberschaltung steht,
wie bereits erwähnt,
mit einer Ansteuerschaltung in Verbindung, welche wiederum einen
Steuereingang zum Zuführen
eines Steuersignals zur Einstellung der Beleuchtungsstärke der
entsprechenden Gasentladungslampe besitzt. Die Ansteuerschaltung erzeugt
in Reaktion auf ein extern zugeführtes
oder ein intern erzeugtes Steuersignal Gate-Ansteuersignale für die Transistoren
der Brückenschaltung
mit einer Frequenz oder einem veränderlichen Tastgrad, die bzw.
der dem Steuersignal entspricht. Bei einem aus einer Spule, der
Gasentladungslampe und einem Reihenkondensator gebildeten Resonanzkreis
wird mit der durch das externe oder intern erzeugte Steuersignal
vorgegebenen Frequenz eine Erregung vorgenommen, so daß die Gasentladungsröhre zum Leuchten
gebracht wird.
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Grundsätzlich gilt
für den
bisher bekannt gewordenen Stand der Technik, daß Entladungslampen mit einer
ungeregelten, sogenannten Zwischenkreisspannung über einen Hochsetzsteller versorgt
werden. Mit Hilfe des Hochsetzstellers kann eine geregelte Lampenleistung
vorgegeben und eine Minimierung der störenden Oberwellen erreicht
werden.
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Nachteilig
ist jedoch, daß die
Zwischenkreisspannungen mindestens den Wurzel-zweifachen Wert der
maximalen Netzbetriebsspannung aufweisen müssen, um einen ausreichenden
Regelabstand zu erhalten. Aufgrund dieser höheren Spannungen sind spannungsfestere
und damit teuere Bauelemente mit ungünstigeren Parametern notwendig.
Die in jedem Fall erforderlichen Lampendrosseln und Reihenkondensatoren
müssen
einen wesentlich höheren
Spannungsabfall realisieren und besitzen eine höhere ohmsche Verlustleistung.
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Wie
geschildert, erfolgt die Dimmung elektronischer Vorschaltgeräte ausschließlich über eine Änderung
der Betriebsfrequenz der Halbbrückenschaltung.
Diese Frequenzänderungen
führen
zu stets unterschiedlichen Resonanzbedingungen der gesamten Schaltungsanordnung
und bewirken eine erhebliche Störabstrahlung
sowohl leitungsgebunden als auch feldgebunden. Aus diesem Grunde
ist weiterer schaltungstechnischer Aufwand zum Erhalt einer notwendigen
elektromagnetischen Verträglichkeit
erforderlich.
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Aus
dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte
Schaltungsanordnung zum Betreiben von Entladungslampen an ein- oder mehrphasigen
Netzen mittels Vorschaltgerät
anzugeben, wobei die Netzspannung über eine Gleichrichteranordnung
einem oder mehreren Vorschaltgerät-Halbbrückentreibern
zugeführt
wird und ein Dimmen von Entladungslampen realisiert werden kann,
welches nur zu minimalen Störstrahlungen führt, so
daß der
herstellungsseitige Aufwand reduziert werden kann. Weiterhin soll
eine Möglichkeit
der einfachen Prüfung
der Strahlungsintensität
angegeben werden.
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Die
Lösung
der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Schaltungsanordnung
gemäß der Merkmalskombination
nach Anspruch 1 sowie mit einer Einrichtung nach Anspruch 5, wobei
die Unteransprüche
mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und
Weiterbildungen darstellen.
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Die
Dimmung der Entladungslampen wird über das Anlegen unterschiedlicher
Betriebsspannungen an die Halbbrückentreiber
vorgenommen, wobei hierfür
eine regelbare Gleichspannungsquelle vorgesehen ist und die Entladungslampen
mit einer Festfrequenz zu beaufschlagen sind.
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Es
ist demnach ein regelbares Gleichspannungs-Netzteil vorgesehen,
an dessen Ausgang mehrere Vorschaltgerät-Halbbrückentreiber, eine Gruppe bildend,
parallel angeschlossen sind.
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Jede
Gruppe kann über
einen Microcontroller und einen gemeinsamen Bus diskret überwacht und
gesteuert werden, was zu einer weiteren Vereinfachung des Aufbaus
entsprechender Vorschaltgeräte
führt.
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Für jede Gruppe
braucht nur eine einzige Monitoringschaltung vorgesehen sein, und
zwar aufgrund der besonderen Lampenansteuerung unter Beachtung der
Festfrequenz und des Resonanzfalls.
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Neben
dem Betreiben der Entladungslampen mittels niedriger geregelter
Zwischenkreis-Gleichspannung im Tiefsetzsteller-Verfahren ist je
nach Netzbedingungen auch ein Hochsetzsteller-Betrieb ergänzend möglich.
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Im
Unterschied zum Stand der Technik, wo eine Dimmung elektronischer
Vorschaltgeräte
ausschließlich über eine Änderung
der Betriebsfrequenz der Halbbrückenschaltung
erfolgt und wo stets unterschiedliche Resonanzbedingungen und eine
dadurch bedingte erhebliche Störabstrahlung
vorliegt, wird erfindungsgemäß über die
Betriebsspannung der Halbbrückenschaltung
gedimmt, so daß die
Möglichkeit besteht,
ein EMV-Filter und damit die Störabstrahlung
auf eine Festfrequenz zu optimieren.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zum Betreiben von Entladungslampen an ein- oder mehrphasigen Netzen
mittels Vorschaltgerät weist
ein ausgangsseitig der Gleichrichteranordnung angeschlossenes regelbares
Gleichspannungs-Netzteil auf, welches mit einem Steuer- und Monitoringbus
in Verbindung steht.
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Das
Gleichspannungs-Netzteil führt
zu einer Gruppe von elektrisch parallel angeordneten Mehrfach-Vorschaltgeräten. An
jedem Mehrfach-Vorschaltgerät
sind mehrere Entladungslampen anschließbar, wobei der Steuer- und
Monitoringbus mit den Mehrfach-Vorschaltgeräten in Verbindung steht.
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Die
Mehrfach-Vorschaltgeräte
weisen einen entsprechend dimensionierten Wechselrichter auf. Ausgestaltend
können
die Wechselrichter eine Umschalteinrichtung für den Festfrequenz-Betrieb
oder einen Betrieb mit variabler Frequenz besitzen.
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Gemäß einem
weiteren Grundgedanken der Erfindung wird von einer Einrichtung
zur Prüfung
der Strahlungsintensität
einer Gruppe von gemeinsam betriebenen Entladungslampen ausgegangen.
Eine solche Gruppe von gemeinsam betriebenen Entladungslampen dient
im Regelfall zur Beleuchtung größerer Flächen, beispielsweise
Solarien oder chemischen Reaktoren, die mit insbesondere UV-Strahlung arbeiten.
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Das
Strahlungsfeld der zur Beleuchtung größerer Flächen vorgesehenen Entladungslampen
wird erfindungsgemäß auf einem
Scanner abgebildet, wobei hierfür
der Scanner schwenk- und/oder drehbar ist oder eine Blendenanordnung
aufweist. Der Scanner selbst besitzt mindestens einen strahlungsempfindlichen
Sensor, wobei die Strahlungssensibilität entweder diskret oder summarisch
auf den UVA-, UVB- und/oder UVC-Bereich ausgelegt ist.
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Aus
der bekannten räumlichen
Anordnung bzw. flächigen
Ausbildung der Entladungslampen und der erfaßten Intensität kann dann
beim Scanvorgang mittels einer Auswerteeinheit ein komplexes Strahlungsbild
abgeleitet werden. Dies kann beispielsweise zur Qualitätskontrolle
der Wirksamkeit der Bestrahlung genutzt werden.
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An
der Auswerteeinheit kann alternativ auch ein integrales Signal aller
vermessenen Entladungslampen anliegen, welches einen dem diffusen
Strahlungsfeld adäquaten
Wert darstellt.
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Der
Scanner ist in einem vorgegebenen Abstand von den Entladungslampen
entfernt angeordnet und ist in der Lage, mittels kleiner Schwenk- und/oder
Drehbewegungen die gesamte strahlende Fläche zu erfassen.
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Mit
Hilfe der Auswerteeinheit kann eine Bewertung und/oder eine Klassifikation
aktiver oder weniger aktiver Bereiche des Strahlungsfelds erfolgen.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Einrichtung zur Prüfung der
Strahlungsintensität
Bestandteil eines elektronischen Regelkreises zum Betreiben der
Entladungslampen.
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Im
Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem über Sensoren nur sehr kleine
auswertbare Expositionsflächen
gegeben sind, kann durch die Einrichtung mit dem beschriebenen Scanner
die Strahlungsfläche
insgesamt, quasi als Einheit bewertet werden, ohne daß die Möglichkeit
verloren geht, gegebenenfalls defekte Strahlungsquellen zu sondieren oder
bei einem Leistungsverlust den Regelkreis derart zu aktivieren,
daß z.B.
eine Mindeststrahlungsenergie nicht unterschritten oder eine maximale
Strahlungsenergie nicht überschritten
wird.
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Der
Scanner wird gemäß der Erfindung
nicht als abbildendes Gerät
benutzt, sondern als eine integral messende Vorrichtung, die aus
den scannertypischen Pixelsignalen ein dem gemessenen diffusen Strahlungsfeld
adäquaten
Wert bereitstellt.
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Aus
den Pixelsignalen besteht die Möglichkeit,
eine räumliche
Berechnung der Strahlungsfelder in unterschiedlichen Abständen von
den Strahlungsquellen vorzunehmen. Das sich hieraus ergebende Maß bildet
die Grundlage für
die Regelung zum Betreiben der Strahlungsquellen.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter
Zuhilfenahme von Figuren näher
erläutert
werden.
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Die 1 zeigt
hierbei ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Betreiben
von Entladungslampen an ein- oder mehrphasigen Netzen mittels Vorschaltgerät. 2 zeigt eine
prinzipielle Darstellung der Einrichtung zur Prüfung der Strahlungsintensität von Entladungslampen.
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Konkret
steht nach 1 ein optimiertes EMV-Filter 1 mit
den drei Phasen R, S und T eines Dreiphasennetzes in Verbindung.
Ausgangsseitig führt
das EMV-Filter 1 auf
eine Gleichrichteranordnung 2, die wiederum mit einem regelbaren
Gleichspannungs-Netzteil 3 in Verbindung steht.
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Am
regelbaren Gleichspannungs-Netzteil 3 ist ein Steuer- und
Monitoringbus 4 angeschlossen, welcher auf eine Microcontrollersteuerung 5 führt. Diese
Microcontrollersteuerung kann mit einem externen Bussystem 6 in
Verbindung stehen und besitzt verschiedene Eingänge 7 zum manuellen
Ansteuern der Entladungslampen 8. An einem UV-Sensoreingang 9 der
Microcontrollersteuerung 5 besteht die Möglichkeit,
Leistungs- und/oder Strahlungsparameter der Entladungslampen 8 zu überwachen,
um deren Betrieb, z.B. beim Einsatz in einem Solarium, zu optimieren.
Die vom regelbaren Gleichspannungs-Netzteil 3 an dessen
Ausgang zur Verfügung stehende
geregelte Gleichspannung beispielsweise im Bereich von 200 V bis
400 V wird auf den Eingang mehrerer parallel geschalteter Mehrfach-Vorschaltgeräte 10 geführt. Der
Steuer- und Monitoringbus 4 steht auch jeweils mit der
Gruppe von Mehrfach-Vorschaltgeräten 10 in
Verbindung.
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Ein
Mehrfach-Vorschaltgerät 10 kann
mehrere Entladungslampen 8 treiben, wobei die Anzahl und die
Leistung der Lampen in Abhängigkeit
von der Auslegung des Netzteils und der Mehrfach-Vorschaltgeräte gewählt wird.
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Die
Lampen-Parallelkondensatoren 11 können auch bereits auf der Platine
des Mehrfach-Vorschaltgeräts
angeordnet werden, wobei in diesem Fall die entsprechenden Lampenelektroden
zu verbinden sind.
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Das
regelbare Gleichspannungs-Netzteil 3 ist sowohl für den Betrieb
als auch die Steuerung, d.h. die Dimmung der entsprechenden Entladungslampen 8 auf
der Basis einer variablen, steuerbaren Ausgangsspannung dimensioniert.
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Erfindungsgemäß wird eine
Zusammenfassung und Vereinfachung mehrerer elektronischer Vorschaltgeräte zu Gruppen
vorgenommen, wobei in jeder Gruppe nur ein Generator mit Halbbrückentreiber
und Treibertransistoren für
mehrere Ausgänge vorhanden
ist.
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Da
ein nichtresonanter Betrieb der Ausgänge der Mehrfach-Vorschaltgeräte erfolgt,
ist das notwendige Monitoring wesentlich einfacher bezogen auf den
Stand der Technik durchführbar.
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Das
Netzteil 3 stellt, wie erwähnt, Ausgangs-Gleichspannungen
im Bereich von etwa 200 V bis 400 V regelbar zur Verfügung, und
zwar im Bereich der Leistungsabgabe der Lampen. Demnach wird nicht über eine
Frequenzänderung,
sondern über
eine Spannungsänderung
der Ausgangs-Gleichspannung gedimmt. Je nach Leistungsfähigkeit
des Netzteils 3 können
mehrere, parallel geschaltete Vorschaltgeräte angeschlossen werden, die
eine gemeinsam angesteuerte und überwachte Gruppe
bilden.
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Der
Bauteileaufwand gemäß Ausführungsbeispiel
läßt sich
dadurch reduzieren, indem eine Zusammenfassung von Filter, Gleichrichter,
Hoch- und Tiefsetzsteller, Glättungskondensator
und Dimmeingang für
eine Anzahl von Vorschaltgeräten
vorgenommen wird.
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Zusammenfassend
liegt ein Kerngedanke der Erfindung in dem Konzept zum Betreiben
von Entladungslampen mit niedrigen geregelten Zwischenkreisspannungen
mittels eines Tiefsetzstellers, wobei die Dimmung der Lampen über die
Höhe der geregelten
Zwischenkreisspannung vorgenommen wird und hierfür ein Gleichspannungs-Netzteil
mit variabler, steuerbarer Ausgangsspannung vorgesehen ist.
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Die 2 zeigt
eine Prinzipanordnung der Einrichtung zur Prüfung der Strahlungsintensität einer
Gruppe von gemeinsam betriebenen Entladungslampen. Diese Gruppe
von Entladungslampen 8 bildet eine größere leuchtende Fläche, die
z.B. in Solarien oder chemischen Reaktoren Anwendung findet.
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Oberhalb
der Anordnung aus Entladungslampen 8 ist ein Scanner 12 angeordnet,
welcher bei einer Ausführungsform
drehbar bzw. schwenkbar ist, um das gesamte, von den Entladungslampen 8 herrührende Strahlungsfeld
(angedeutet mit den Pfeildarstellungen) zu erfassen. Je nach Abstand
zwischen den Entladungslampen 8 und dem Scanner 12 kann
in Abhängigkeit
von der Auflösung
des im Scanner befindlichen Intensitätssensors entweder die Strahlungsenergie
bis hinunter zu einer einzigen Entladungslampe 8 oder zu
einer Gruppe von mehreren Lampen 8 bestimmt werden.
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Alternativ
kann der Scanner 12 fest angeordnet werden und über eine
einstellbare Blende verfügen,
so daß je
nach Blendenwert ein Teilbereich des Strahlungsfelds bzw. sukzessiv
das gesamte Strahlungsfeld abtastbar ist.
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Dem
Scanner 12 nachgeordnet ist eine in der Figur nicht dargestellte
Auswerteeinheit, welche eine bevorzugt digitale Verarbeitung der
Scannersignale ermöglicht.
Es ist demnach über
die Auswerteeinheit ein komplexes Strahlungsbild ableitbar, um eine
Bewertung und/oder Klassifikation aktiver oder weniger aktiver Bereiche
im Strahlungsfeld vorzunehmen. Ausgangsseitig der Auswerteeinheit
anliegende Signale dienen einem elektrischen Regelkreis zum Betreiben
der Gruppe von Entladungslampen 8.
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Da
die Geometrie der Anordnung der Entladungslampen bekannt ist, kann überprüft werden,
ob sich bei einer angenommenen korrekten Funktion der Entladungslampen
sich ein hierzu adäquates Strahlungsbild
ergibt oder nicht, so daß z.B.
Maßnahmen
zum Austausch einzelner Lampen ergriffen werden können.
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Wie
aus den Erläuterungen
gemäß Ausführungsbeispiel
nachvollziehbar, wird der Scanner hier nicht als abbildendes Gerät benutzt,
sondern als Meßvorrichtung,
die aus den scannertypischen Pixelsignalen ein dem gemessenen diffusen
Strahlungsfeld, wie es von den Entladungslampen 8 erzeugt wird,
adäquaten
Wert liefert.
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Durch
eine denkbare abstandsseitige Verstellung des Scanners 12 kann
eine räumliche
Berechnung der Strahlungsfelder in unterschiedlichen Abständen von
den Strahlungsquellen erfolgen. Auch dies ist für das Betreiben einer elektronischen Regelung
der Strahlungsquellen von Vorteil.
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- 1
- EMV-Filter
- 2
- Gleichrichteranordnung
- 3
- regelbares
Gleichspannungs-Netzteil
- 4
- Steuer-
und Monitoringbus
- 5
- Microcontrollersteuerung
- 6
- externes
Bussystem
- 7
- Handsteuereingänge
- 8
- Entladungslampe
- 9
- UV-Sensoreingänge
- 10
- Mehrfach-Vorschaltgerät
- 11
- Lampen-Parallelkondensator
- 12
- Scanner