DE4039161A1 - Verfahren und schaltungsanordnungen zur steuerung der helligkeit und des betriebsverhaltens von gasentladungslampen - Google Patents
Verfahren und schaltungsanordnungen zur steuerung der helligkeit und des betriebsverhaltens von gasentladungslampenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft allgemein ein elektronisches Vorschaltgerät (EVG) für Leuchtstofflampen.
Insbesondere betrifft sie Schaltungsanordnungen innerhalb des elektronischen Vorschaltgerätes sowie ein
Verfahren zur Steuerung der Helligkeit und des Betriebsverhaltens von Leuchtstofflampen.
Elektronische Vorschaltgeräte moderner Bauweise dienen der Ansteuerung von Leuchtstofflampen. Dabei
werden die Leuchtstofflampen zum einen schonender betrieben und zum anderen kann der Wirkungsgrad
derartiger Lampentypen heraufgesetzt werden. Ein elektronisches Vorschaltgerät weist dabei regelmäßig die
im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf.
Über einen Netzeingangsfilter wird eine Versorgungsspannung, die eine Gleich- oder Wechselspannung sein
kann, einem Gleichrichter und einem Zwischenkreiskondensator zugeführt. Soweit das Gerät ausschließlich
mit Gleichspannung betrieben wird, kann letzterer Gleichrichter entfallen. Auf dem Zwischenkreiskondensator
wird eine hohe Zwischenkreisspannung U0 gebildet, die bei üblicher Netzspannungsversorgung von 220 V in
der Größenordnung von ca. 300 V liegt. An den Zwischenkreis schließt sich ein Wechselspannungsgenerator
an, dieser wird von einem Halbbrücken- oder Vollbrückenwechselrichter gebildet. Er gibt eine
frequenzvariable Ausgangsspannung an einen Ausgangs-Lastkreis ab, der, sofern keine Halbbrückenschaltung
mit künstlichem Spannungsmittelabgriff vorgesehen ist, einen Serienresonanzkreis aufweist. In Reihe zu dem
Serienresonanzkreis liegt die Entladungsstrecke der zu steuernden Gasentladungslampe oder
Leuchtstofflampe.
Die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters beträgt in etwa 10 kHz-50 kHz.
Bei den genannten Frequenzen wird der Wirkungsgrad der angeschlossenen Leuchtstofflampen gegenüber
einem Betrieb an dem 50 Hz-Versorgungsnetz erhöht. Eine erhöhte Lichtausbeute wird bei gleicher
elektrischer Leistungsaufnahme erzielt. Weiterhin kann aufgrund der hohen Frequenz die wechselrichter
ausgangsseitige Induktivität des Serienresonanzkreises kleingehalten werden. Schließlich erlaubt die variable
Frequenzsteuerung eine Helligkeitsregelung der - am normalen Netz nur schwer helligkeitsregelbaren
(dimmbaren) - Leuchtstofflampe. Hinzu kommt schließlich, daß über die Frequenzsteuerung auch eine
Zündung der Leuchtstofflampe vorbereitet und initiiert werden kann.
Zu dem vorgenannten Zündvorgang gehört zur Schonung der Leuchtstofflampen auch ein sog. Warmstart, bei
dem die Heizwendeln der Leuchtstofflampe vorgeheizt werden, bevor die Lampe aufgrund von
Resonanzerscheinungen mit einer hohen Zündspannung beaufschlagt wird, die zur Zündung und damit zum
Betrieb der Gasentladungslampe führt. Die Variation der Frequenz, welche die Zündung kontrolliert, erlaubt
auch im Betrieb der Gasentladungslampe durch Frequenzverschiebung eine nahezu stufenlose
Helligkeitsregelung in weiten Grenzen. Eine solche stufenlose und kontinuierliche Steuerung der Helligkeit
erfordert aufgrund des negativen Innenwiderstandes der in Betrieb befindlichen Leuchtstofflampe besondere
Maßnahmen.
Wesentlicher Gesichtspunkt für die Entwicklung eines modernen EVG bildet daher zum einen eine möglichst
vielseitige Steuerungsmöglichkeit insbes. eine Helligkeitsregelung. Dies im Hinblick auf das Betriebsverhalten
sowie die Helligkeitsregelung der an einem jeweiligen EVG angeschlossenen Leuchtstofflampen.
Neben einer vielseitigen Steuerung und Regelung ist es ein anderes Anliegen moderner EVGs eine
komfortable Handhabung und Bedienung vieler dezentral angeordneter Lichtquellen zu gewährleisten. Dies
insbesondere im Hinblick auf Großprojekte, bei denen weitläufige Beleuchtungssysteme mit einer großen
Anzahl von Lichtquellen zu installieren sind.
Schließlich ist es ein wesentlicher Zweck der Erfindung, erhöhte Sicherheit für die angeschlossenen
Leuchtstofflampen sowie eine verbesserte Überwachungsmöglichkeit dieser zu schaffen. Sicherheit nicht
zuletzt auch für das Betriebspersonal, was ausgefallene Lampen zu wechseln hat und hierbei darauf angewiesen
ist, daß die beim Lampenwechsel an dem Steckfassungen und im Gerät entstehenden Spannungen für sie
ungefährlich sind. Dies aus dem Grunde, da bei weitläufigen Beleuchtungssystemen die einzelnen Lampen
nicht individuell abschaltbar sind, so daß ein Lampenwechsel im Betrieb notwendig wird.
Lösungen des vorgenannten technischen Problems liegen bei einer Schaltungsanordnung gem. Oberbegriff des
Anspruchs 20 oder einem Verfahren gem. Oberbegriff des Anspruchs 1 in den jeweiligen kennzeichnenden
Merkmalen. Eine weitere Lösung für den vorgenannten technischen Problemkreis bietet die Ausgangs-
Schaltungsanordnung für ein elektronisches Vorgeschaltgerät gem. den Merkmalen des Anspruchs 25.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Steuerfunktionen und die Helligkeitsregelung besonders
genau und komfortabel zu handhaben. Hierzu ist eine Steuer- und Regeleinrichtung vorgesehen, die alle
wesentlichen Steuer-, Regel- und Überwachungsfunktionen für ein dezentrales EVG übernimmt. Ihr ist eine
Sende- und Empfangseinrichtung zugeordnet, die als Schnittstelle nach außen dient. Hier können
Steuerbefehle und Helligkeitsbefehle zugeführt werden, die von der Steuer- und Regeleinrichtung, abhängig
von den derzeit gültigen Prozeßgrößen (Meßgrößen) des jeweiligen dezentralen EVG, ausgeführt wird.
Vorteilhaft werden in einem jeweiligen dezentralen EVG ein Paar von Leuchtstofflampen an einem
Wechselspannungsgenerator betrieben. Dies entspricht einem sog. zweiflammigen EVG.
Neben der komfortablen Helligkeitsregelung erlaubt die Steuer- und Regeleinrichtung zielgerichtet eine
Erhöhung der Lebensdauer der Leuchtstofflampen und eine Gewährung von Sicherheitsinteressen. Mittels der
vorgenannten Steuer- und Regeleinrichtung kann das Betriebsverhaltung und der jeweilige Betriebszustand der
von einem EVG versorgten Leuchtstofflampen genauestens gesteuert und überwacht werden. So werden
Warmstart-, Zünd-, Dimm- und Abschaltvorgang (ZÜND, DIMM, AUS, EIN) mit hoher Präzision und
lampenschonend aneinandergereiht. Unzulässige Betriebsbedingungen werden vermieden, vor einer jeweiligen
Zündung wird für eine ausreichende Vorwärmung der Heizwendeln gesorgt. Neben einem
helligkeitsgeregelten Dimmbetrieb (DIMM) kann auch das gesamte EVG, wenn längere Zeit keine Helligkeit
gewünscht wird, stillgelegt werden (SLEEP). In diesem Zustand nimmt das EVG nur eine minimale Leistung
auf. Vermeidbare Verluste werden tatsächlich vermieden.
Neben dem regelmäßigen Dimmbetrieb, in welchem die Helligkeit der Leuchtstofflampen zwischen einem
Minimalwert (MIN) und einem Maiiraalwert (MAX) beliebig variierbar ist (DIMM) ist auch ein Notbetrieb
(NOT) möglich, bei dem die Lampe einen Notbeleuchtungs-Lichtpegel einnimmt. Dieser ist dezentral am
jeweiligen Gerät vorgebbar. Bei bestimmten Gefahrenbedingungen wird er automatisch aktiviert.
Vorteilhaft ist die Sende- und Empfangseinrichtung über eine bidirektionale Busleitung mit einem zentralen
Steuergerät verbunden (Anspruch 4). Ein solches erlaubt es, von einer zentralen Stelle aus eine Vielzahl von
dezentral angeordneten EVGs fernzusteuern. Neben der Fernsteuerung bietet das Steuergerät auch eine
Betriebszustandsinformation. Es werden im Beleuchtungssystem aufgetretene Fehler aufgrund von
Fehlermeldungen erkannt und angezeigt, die von den dezentralen EVGs über die bidirektionale Busleitung an
das zentrale Steuergerät gesandt worden sind. Wartungsarbeiten werden hierdurch vereinfacht und
beschleunigt. Vielfältige Überwachungsfunktionen werden bereits dezentral vorgesehen, so die Über- und
Unterspannungsüberwachung (Anspruch 6). Durch sie wird die Lebensdauer der Leuchtstofflampen spürbar
erhöht.
Die über die Busleitung gesteuerte Helligkeitsregelung der dezentralen EVGs geschieht über serielle digitale
Steuerworte, die Steuerbefehle oder Helligkeits-Dateninformationen darstellen (Anspruch 13). Besonders
vorteilhaft ist die Organisation in Funktionsgruppen, in welchen eine Mehrzahl von EVGs, die beispielsweise in
einem Raum angeordnet sind, gleichzeitig und mit einem einzelnen Befehl ansteuerbar sind.
Die Ankopplung der Sende- und Empfangseinrichtungen an die Busleitung wird vorteilhaft durch ein
Differenzierglied bewirkt. Sie gewährt eine starke Dämpfung der 50 Hz-Netzfrequenzen und arbeitet mit sehr
geringen Eingangsströmen. Die Dämpfung der Netzfrequenzen geht soweit, daß auch ein Verpolungsschutz
gewährt wird, das Anlegen von 220 V an der Busleitung bleibt ohne Schadensfolge (Anspruch 15).
Wenn die Leuchtstofflampen nach einem Zündvorgang in den gedimmten Betrieb gesteuert werden, kann es
dazu kommen, daß kurzzeitige Lichtpulse auftreten. Sie haben ihre Ursache in der im Ausgangskreis
gespeicherten Energie des Zündvorganges, der sich anschließend unerwünscht als Lichtpuls im gedimmten
Betrieb äußert. Hier kann durch Verlängern der - eigentlich lebensdauerverkürzenden - Glimmphase zwischen
Zünd- und stationärem Betrieb Abhilfe geschaffen werden (Anspruch 16). Eine tatsächliche
Lebensdauerverkürzung wird aber dadurch vermieden, daß der Glimmbereich nur bei geringen
Helligkeitswerten verlängert wird. Je größer die Helligkeit, desto kürzer demnach die Glimmphase und desto
schneller der Übergang vom Zündbetrieb zum Normalbetrieb (Anspruch 17).
Werden erfindungsgemäß der Steuer- und Regeleinrichtung eine Mehrzahl m von Meßgrößen aus dem EVG
zugeführt, so können hieraus eine Vielzahl von Betriebszuständen und ggf. Gefahrenumstände erkannt und
vermieden werden. Weiterhin wird eine echte Leistungsregelung möglich, die lampentypunabhängig
(beispielsweise Argon-Lampen oder Krypton-Lampen) arbeitet. Vorteilhaft wird die
Lampenhelligkeitsregelung durch eine Frequenzmodalation (Anspruch 21) oder durch eine Kombination von
Frequenzmodulation und Tastverhältnisänderung erzielt (Anspruch 12).
Zum Aspekt der Überwachung zählt auch die Kontrolle der Heizwendelströme der Leuchtstofflampen. Sie
erlauben eine präzise Ermittlung, ob bestimmte Lampen defekt sind oder ggf. gar nicht eingebaut wurden
(Anspruch 23).
Die bei starkem Dimmbetrieb auftretenden "laufenden Schichten" werden vorteilhaft dann vermieden, wenn
dem hochfrequenten Lampenwechselstrom eine geringe Gleichkomponente überlagert wird (Anspruch 24) .
Werden pro EVG ein Paar von Leuchtstofflampen eingesetzt, die von einem gemeinsamen
Wechselspannungsgenerator gespeist werden, so bewirkt das erfindungsgemäße induktive Symmetrierelement
einen symmetrischen Betrieb beider Leuchtstofflampen (Anspruch 25). Eine spannungsgesteuerte
Wendelbeheizung ermöglichen die lampenindividuellen Heizübertrager, welche mit ihrer Primärwicklung am
Wechselspannungs-Ausgangskreis angeschlossen sind (Anspruch 31). Über eine Primärstromerfassung kann
die Steuer- und Regeleinrichtung jederzeit Rückschlüsse auf die Heizwendelbeschaffenheit ziehen und so
bereits beschädigte Leuchtstofflampen oder in Kürze ausfallende Leuchtstofflampen identifizieren
(Anspruch 32) .
Weitere vorteilhafte Aspekte und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen EVG und des
erfindungsgemäßen Arbeitsverfahrens sind in den Unteransprüchen naher ausgeführt.
Gestützt auf die Zeichnung werden nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es
zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen EVG,
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Systemgedankens, bei dem mehrere dezentrale EVGs mit
einem zentralen Steuergerät über eine Busleitung 12 verbunden sind,
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Steuer- und Regeleinrichtung als
integrierte Schaltung 17,
Fig. 4 ein Prinzipschaltbild eines Eingangskreises 20 mit zwei Meßwerterfassungen,
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der transformatorgekoppelten Wendelbeheizung einer Leuchtstofflampe mit
drei Meßfühlern,
Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ausgangskreises 40 mit Symmetrierelement TR1 für
zwei Leuchtstofflampen,
Fig. 7 ein Prinzipschaltbild des Wechselspannungsgenerators mit ihn ansteuernder Treiberschaltung 31,
Fig. 8 ein Blockschaltbild der Sende- und Empfangseinrichtung 10 mit einer Koppelschaltung zur Busleitung
12,
Fig. 9 ein Helligkeits-Zeitdiagramm zur Erläuterung des Abschalt- und des Notbeleuchtungsbetriebes,
Fig. 10 ein Helligkeits-Zeitdiagramm zur Erläuterung der Softstart- bzw. Softstop-Funktion bei einer
Systemkonfiguration gem. Fig. 2.
Fig. 1 zeigt zunächst ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen EVGs. Die
Netzspannung UN wird - ggf. über einen Schalter S1 - dem Eingangsschaltkreis 20 (Gleichrichterschaltkreis)
zugeführt. Dieser erzeugt die Zwischenkreisspannung U0, Udc, die dem Wechselspannungsgenerator 30
(Wechselrichter) zugeführt wird. Der Wechselspannungsgenerator 30 gibt seine hochfrequente
Ausgangsspannung UHF an einen Ausgangs-Lastkreis 40 ab, der eine oder mehrere Leuchtstofflampen
LA1, LA2 enthält. Sowohl dem Wechselspannungsgenerator 30 als auch dem Lastkreis 40 sind eine Mehrzahl
von System-Meßwerten (Prozeßgrößen) entnehmbar. Gemeinsam werden die Meßwerte einer Steuer- und
Regelschaltung 17 zugeführt, die ihrerseits die digitalen Ansteuersignale für den Wechselrichter 30 erzeugt.
Diese werden über eine Treiberschaltung 31 potentialverschoben und den Ausgangs-MOS-FETs des
Wechselrichters zugeführt. Der Steuer- und Regeleinrichtung 17 ist außerdem eine Sende- und
Empfangseinrichtung 10 zugeordnet, die über eine Busleitung 12 mit anderen EVGs und/oder mit einem
zentralen Steuergerät 50 verbunden ist.
Letzteres wird von Fig. 2 gezeigt. Dort sind eine Mehrzahl von EVGs 60-1, 60-2, 60-3, . . . , 60-i an einer
gemeinsamen Busleitung 12 angeschlossen. Alle EVGs sind über diese Busleitung mit dem zentralen
Steuergerät 50 verbunden, dem eine Anzeigeeinheit 51 zugeordnet ist. Über die Busleitung 12 wird es nun
möglich, einzelne oder mehrere der genannten EVGs anzusteuern und ihnen Befehle zu übertragen, wie
Ausschalten, Einschalten, Zünden o. ä. Auch können Helligkeitswerte voreingestellt werden und im Gegenzug
Fehlerinformationen von den einzelnen Geräten abgefragt werden. So ist das Steuergerät 50 jederzeit über den
Gesamt-Systemzustand informiert, wodurch ein hohes Maß an Betriebssicherheit gewährt werden kann und
eine beschleunigte Wartung der dezentralen EVGs, bzw. für deren Leuchtstofflampen, möglich wird.
Die in Fig. 1 gezeigten Funktionsblöcke 20, 30, 40, 10, 17 werden anhand der folgenden Figuren nun näher
erläutert.
Fig. 3 zeigt hierzu die Steuer- und Regeleinrichtung 17 als integrierte Schaltung. Ihr werden die Vielzahl von
Meßwerten m, welche den Prozeßsignalen der Fig. 1 entsprechen, zugeführt. Sie gibt zwei digitale
Ansteuersignale für die Endstufen-Transistoren des Wechselrichters 30 ab, die über eine Treiberschaltung 31
noch verstärkt und potentialverschoben werden.
Neben den m Meßwerten werden der Steuer- und Regeleinrichtung 17 auch n Sollwerte zugeführt. Diese
beeinflussen das vorgebbare Steuer- und Regelverhalten. Weiterhin ist als Teil der Steuer- und Regelschaltung
17 oder separat eine Sende- und Empfangseinrichtung 10 vorgesehen, die direkt oder mittels eines
Koppelschaltkreises mit der Busleitung 12 verbunden ist. Sie bildet die serielle Schnittstelle, die es der Steuer-
und Regeleinrichtung ermöglicht, Fehler- und Betriebszustandsinformationen dem zentralen Steuergerät 50 zu
übermitteln.
Die zuvor genannten n Sollwerte können auch dieser Sende- und Empfangseinrichtung 10 zugeführt werden,
die sie nach entsprechender Aufbereitung an die Steuer- und Regelschaltung 17 weitergibt. Sollwerte können
beispielsweise sein der Notbeleuchtungspegel (NOT), der minimale Helligkeitspegel (MIN) und der maximale
Helligkeitspegel (MAX), innerhalb letzterer beider kann sich der vorgebbare Helligkeitspegel (DIMM) im
Betrieb bewegen.
Als Befehls- und Datenworte sowie als Fehlerinformationsworte werden serielle digitale Datenworte
verwendet, deren Lange 8 bit ist. Andere Wertlängen sind möglich. Jedem dezentralen EVG wird eine Adresse
zugeordnet, die es ermöglicht, einzelne EVGs über die Adresse der Sende- und Empfangseinrichtung 10
anzusprechen und Informationen von ihnen abzufragen oder ihnen Befehle zu erteilen. Die bidirektionelle
Arbeitsweise der Busleitung 12 ermöglicht ein problemloses und aufwandsarmes Verkabeln einer Vielzahl von
dezentraler EVGs mit einem zentralen Steuergerät (50).
Fig. 4 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Eingangskreises, wie er zur Speisung des Wechselspannungsgenerators
30 aus einem Versorgungsnetz mit der Spannung UN verwendbar ist. Der Eingangskreis besteht aus
kapazitiven Eingangsfiltern sowie ggf. aus einer Oberwellendrossel. Die Kondensatoren in Y-Schaltung dienen
der Funkentstörung. Ihnen ist ein Überspannungsableiter oder ein VDR parallel geschaltet. Es schließt sich ein
Vollwellengleichrichter an, der dann entfallen kann, wenn das Gerät betriebsmäßig mit Gleichspannung
betrieben wird. Dem Gleichrichter nachgeschaltet ist ein Zwischenkreiskondensator C4, der sich bei 220 V
Netzspannung auf ca. 300 V mit einer Restwelligkeit von ca. 10% auflädt.
Aufgrund eines niedrig zu haltenden Crestfaktors sollte die Zwischenkreisspannung U0 gut geglättet sein.
Parallel zum Zwischenkreiskondensator C4 liegt ein Spannungsteiler R18, R25, an dem ein der Zwischenkreis-
Spannung proportionales Meßsignal abgreifbar ist. An einem Tiefpaß R21, C25 wird ein der
Versorgungsspannung proportionales Signal erfaßt und ebenso, wie das zwischenkreisspannungs-abhängige
Meßsignal der Steuer- und Regeleinrichtung 17 zugeführt. Beide Meßsignale dienen der
Versorgungsspannungs-Überwachung und damit der Betriebssicherheit des EVG.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lastkreises 40 mit einem Heizübertrager L5 für
die Vorheizung der Wendeln der Leuchtstofflampe LA1. In Fig. 5 ist lediglich einer von einem Paar von
Lampenkreisen gezeigt. Das Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ein Paar dieser Zweige auf, d. h. zwei
Leuchtstofflampen LA1, LA2 an einem Wechselspannungsgenerator-Ausgang, der die hochfrequente
Wechselspannung UHF zwischen den in Serie geschalteten Leistungs-Schalttransistoren V21 und V28 abgibt.
Der Wechselspannungsgenerator wird aus der in Fig. 4 gezeigten Eingangsschaltung 20 mit einer
Zwischenkreisspannung Udc versorgt. Da die Leuchtstofflampen einen negativen Innenwiderstand bei Betrieb
besitzen, müssen sie beim Zündvorgang (ZÜND) mit hohen Spannungsspitzen und beim Heizen der Wendeln
mit entsprechender Heizenergie versorgt werden. Ausgehend von dem Ausgangsanschluß des Wechselrichters
30 führt ein Serienresonanzkreis L2, C15 über ein Symmetrierelement TR1, welches später erläutert wird, auf
die Entladungsstrecke H2, H4 der Leuchtstofflampe. Weiterhin ist zu der Leuchtstoffröhre ein Meßwiderstand
R32 in Serie geschaltet, an welchem eine dem Lampenstrom IL1 proportionale Spannung abgegriffen und der
Steuer- und Regelschaltung 17 zugeführt wird. Zwischen Serienschwingkreis und Symmetierelement ist ein
Zündkondensator C17 gegen Erde (NULL) geschaltet. Parallel zu ihm liegt auch die Primärwicklung des
Heizübertragers L4 sowie in Serie zu dieser weiterhin eine Zenerdiode V16 und ein Meßwiderstand R10. An
letzterem wird eine dem Heizwendelstrom IW1 proportionale Spannung abgegriffen und dem Steuer- und
Regelschaltkreis 17 als weitere Systemmeßgröße zugeführt. Da der Wechselrichter 30 eine Ausgangsspannung
einprägt und der Heizübertrager im wesentlichen parallel zur Leuchtstofflampe LA1 liegt, wird über den
Heizübertrager auf seine Sekundärwicklungen eine Spannung eingeprägt. Die beiden Sekundärwicklungen
versorgen je potentialfrei eine der beiden Heizwendeln H1, H2 und H3, H4. An dem primärseitigen
Meßwiderstand R10 wird so die Summe der Heizwendelströme IW1 gemessen.
Die weiterhin in Serie geschaltete Zenerdiode V15 erzeugt in der Primärwicklung von L5 eine
Gleichstromkomponente, die aber nicht übertragen wird, sondern im Lampenstrom IL1 fehlt und damit die
Entladung der Lampe mit einem zusätzlichen Gleichstromanteil in der Größenanordnung von ca. 1% des
tatsächlichen Entladungsstromes versorgt. Dies verhindert den Effekt der "laufenden Schichten", die bei
Dimmung der Lampen auftreten. Die "laufenden Schichten" bestehen aus insbesondere beim Dimmen
auftretenden Hell-/Dunkelzonen, die mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit längs der Röhre laufen. Ein
Überlagern von geringem Gleichstrom beschleunigt diesen Laufeffekt derart, daß er nicht mehr störend wirkt.
Zum Heizen wird der Wechselrichter 30 mit einer hohen Frequenz fmax betrieben, so daß an C17 eine
Wechselspannung auftritt, die nicht zum Zünden der Lampe LA1 geeignet ist. Über L5 werden in diesem
Betriebszustand die Wendeln der Lampe beheizt, wobei, bedingt durch den Kaltleitereffekt der Wendeln, die
Lampe zuerst einen hohen und dann einen geringeren Heizstrom aufnimmt. Nach ca. 750 msec Vorheizzeit
wird die Zündung (ZÜND) der Lampe eingeleitet.
Beim Zünden der Leuchtstofflampe wird die Frequenz f des Wechselrichters 30 reduziert, so daß sie näher an
die Resonanzfrequenz f des Ausgangs-Serienresonanzkreises L2, C15 herankommt. Dadurch entsteht an C17
eine Spannungsüberhöhung, die in der Größenordnung von ca. 750 V (Spitze) liegt. Hierdurch wird eine
funktionsfähige Lampe gezündet.
Sobald die Lampe LA1 oder LA2 gezündet hat, wird der Serienresonanzkreis L2,C15 oder L3, C16 stark
bedämpft. Dies bewirkt einerseits eine Verschiebung der Resonanzfrequenzen f0 und andererseits ein
sofortiges Absinken der an der jeweiligen Lampe liegenden Wechselspannung. Das Absinken wird über den
parallel zur Lampe geschalteten Spannungsteiler R27, R25 von dem Steuer- und Regelschaltkreis 17 erkannt.
Dieser leitet daraufhin die eigentliche Betriebsphase (DIMM) der Lampen ein.
Zum effektiven Betrieb der Lampe wird die Frequenz f des Wechselrichters 30 so geregelt, daß die Leistung
der Lampe dem vorgegebenen Sollwert, d. h. dem gewünschten Helligkeitsniveau, entspricht. Je höher die
Frequenz im Betriebszustand wird, desto geringer wird die Lampenhelligkeit. Die Betriebsfrequenz des
Wechselspannungsgenerators 30 kann dabei durchaus auch auf Werte verschoben werden, die in der
Größenordnung der Heizfrequenz oder darüber liegen. Auch kann bei einer maximalen Leistung (MAX) eine
Ausgangsfrequenz eingestellt werden, die unterhalb der Zündfrequenz, aber noch oberhalb der
Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises L2, C15 liegt.
Der Betriebszustand des Lampenkreises 14 kann abhängig von der eingesetzten Lampe, beispielsweise Argon-,
Krypton-Lampe, oder abhängig von der gewählten Lampenleistung, stark variieren.
Die Kombination aus dem Kondensator C24 und den Dioden V30 V31 bewirkt eine
frequenzabhangige Bedämpfung des Ausgangskreises bei Spannungsüberhöhung. Sie ist
vor allem dann wichtig, wenn hohe Frequenzen und hohe Impedanzen vorkommen, also
z. B. bei fehlender Lampe oder beim Vorheizen bei bereits warmer Wendel. Die
Beschaltung dieser Art hilft, die Spannungsüberhöhung bei nicht gezündeter oder
fehlender Lampe dann zu begrenzen, wenn sie unerwünscht ist. C24 ist so gewählt, daß
die Bedämpfung zum Zündzeitpunkt klein genug bleibt.
Fig. 6 zeigt den Ausgangskreis der Fig. 5 für den zweiflammigen - zwei Leuchtstofflampen an einem
Wechselrichter - Betrieb. Hier ist auch der Symmetrieübertrager TR1 vollständig eingezeichnet. Jede Wicklung
wird von einem der beide Lampenströme durchflossen. Dies geschieht gegensinnig, so daß bei
Stromamplituden-Abweichung eine resultierende Magnetisierung entsteht, die in dem induktiven Element eine
Spannung induziert, welche symmetrierend wirkt. Ein solcher Übertrager ist vorteilhaft, wenn durch
Bauteiltoleranzen und Lampentoleranzen sowie unterschiedlichen Temperaturbedingungen die beiden
Lampen im gedimmten Zustand unterschiedlich hell brennen würden. Durch das Symmetrieelement TR1 wird
dies bei zweilampigen Leuchten vermieden. Werden mehrere Paare von Lampen an einem
Wechselspannungsgenerator-Ausgang betrieben, so ist für jeweils ein Paar ein solches Symmetrierelement TR1
vorzusehen.
An Fig. 6 ist weiterhin ersichtlich, daß jeder Leuchtstofflampe ein individueller Serienresonanzkreis
vorgeschaltet ist sowie ein individueller Zündkondensator C17, C18 parallelgeschaltet ist. Dies ermöglicht eine
relativ unabhängige Zündphase sowie einem Gleichlauf im Dimmbetrieb. Parallel zu den Zündkondensatoren
C17, C18 liegt jeweils ein Spannungsteiler R25-R28, die ein der Ausgangs-Wechselspannung proportionales
Signal an die Steuer- und Regeleinrichtung 17 führen. In gleicher Weise ist es auch möglich, die
Spannungsteiler direkt parallel zur Leuchtstofflampe zu schalten, d. h. hinter das Symmetrierelemente TR1. In
Serie zu den Lampen, dies war anhand von Fig. 5 bereits für einen Lampenkreis erläutert, findet sich je ein
Strommeß-Shunt R31, R32. An ihnen wird ein dem Lampenstrom proportionales Signal gewonnen, welches im
Steuer- und Regelschaltkreis 17 mit dem vorgenannten Lampenspannungssignal multiplizierbar ist. Auf diese
Weise wird sichergestellt, daß jederzeit ein der tatsächlichen Lampenleistung Pist bzw. der Helligkeit E
proportionales Signal zur Verfügung steht, das einer genauen Helligkeitsregelung als Istwert vorgebbar ist.
Fig. 7 zeigt detaillierter den Wechselrichter 30 mit seinen Ausgangs-Leistungstransistoren V28, V21. Zwischen
ihnen wird die hochfrequente Wechselspannung UHF an den zuvor erläuterten Lastkreis 40 abgeben.
Angesteuert werden die beiden Leistungstransistoren über einen Ansteuer-Schaltkreis 31, der seine
Steuersignale von dem Steuer- und Regelschaltkreis 17 erhält. Ggf. kommen unsymmetrische Abschalt-/Ein
schaltverzögerungen für die jeweiligen Transistoren in Betracht, so daß ein gemeinsames Leiten beider
Transistoren V21, V28 grundsätzlich vermieden werden kann. Der obere Transistor wird über eine (nicht
eingezeichnete) Bootstrap-Schaltung versorgt, der untere Transistor und die Systemsteuerung 10, 17, 31 erhalten
ihre Ansteuerspannung über einen Vorwiderstand und einen Glättungskondensator C5 aus der
Zwischenkreisspannung U0. Neben der genannten Stromversorgung aus dem Zwischenkreis findet auch eine
verlustarme Wechselspannungskopplung aus dem schwingenden Wechselrichter 30 über einen
Koppelkondensator C21, die Dioden V12, V7 und die Induktivität L7 in die Speicherkapazität C5 statt.
Der durch den Vorwiderstand oder eine Stromquelle Iq dem Glättungskondensator C5 zuführbare Strom ist
ausreichend, um das IC31 und die Steuer- und Regelschaltung 17 im abgeschalteten Betrieb (SLEEP) zu
versorgen.
Bei Betrieb des Wechselrichters reicht die über einen Kondensator C21 ausgekoppelte, über die genannten
Bauteile V12, V7, L7 gleichgerichtete und über C5 geglätte lasteingekoppelte Versorgung aus. Diese
Versorgungsspannungsgewinnung ist nahezu verlustfrei, da lediglich reaktive Elemente zur Strombegrenzung
eingesetzt werden. Mittels der in den unteren Wechselrichter-Halbzweig des Transistors V21 eingeschalteten
antiparallelen Dioden V21, V15 und dem diesen parallel geschalteten Widerstand R34 wird eine dem
Zweigstrom Imax proportionales Spannungssignal UKap gewonnen. Dieses wird, wie die anderen
Prozeßsignale dem Steuer- und Regelschaltkreis 17 zugeführt. Er kann hieraus die Stromrichtung des durch
den Wechselrichter im Moment vor dem Öffnen von V21 fließenden Stromes feststellen. Ist dieser Strom
negativ, so befindet sich der Lastkreis 40 des Wechselrichters 30 in einem unzulässigen kapazitiven Bereich. Er
stellt hierbei eine Gefahr für den steuernden Wechselrichter dar. Neben der reinen Amplituden-Detektion
kann auch eine Phasenlagen-Betrachtung herangezogen werden, bei der der Laststrom IL1 in Bezug zum
Wechselrichter-Zweigstrom Imax gesetzt wird und hieraus die relative Phase beider Ströme zur Detektion des
Betriebszustandes herangezogen wird.
Eine Erkennung eines unzulässigen kapazitiven Betriebsverhaltens wird von der Steuerschaltung 17 mit einer
Erhöhung der Betriebsfrequenz f des Wechselrichters 30 beantwortet, womit der Lastkreis 40 wieder induktiv
betrieben wird. Die vorgenannte kapazitive Betriebsweise tritt vorwiegend bei geringer Versorgungsspannung
auf. Mit der Zweigstromerfassung kann ein Zerstören von Bauelementen sicher vermieden werden.
Fig. 8 zeigt die Sende- und Empfangseinrichtung 10 sowie das ihr vorgeschaltete Koppelfilter, mit dem die
Busankopplung zu der Steuerleitung 12 erfolgt. Der Digitalschnittstelle 10 sind in diesem Beispiel die Sollwerte
für minimale-, maximale- und Notbeleuchtungshelligkeit UNOT, UMIN, UMAX) vorgegeben. Weiterhin ist ein
Digitaleingang DAT vorgesehen, über den sowohl die Steuersignale von einem zentralen Steuergerät zum
dezentralen EVG gelangen, als auch die Fehlersignale von dem dezentralen EVG zu dem zentralen
Steuergerät übermittelt werden. Das serielle Interface ermöglicht die Fernsteuerung des elektronischen
Vorschaltgerätes durch ein digitales Befehlssignal oder Befehlswort. Als solches digitales Signal ist ein 8 Bitdatenwort
vorgesehen. Es wird von den beiden Kondensatoren C22, C23 differenziert, sodann
(potentialverschoben) um die Hälfte der Versorgungsspannung des Regelschaltkreises 17 bzw. des Sende- und
Empfangsschaltkreises 10 < - < und dann über einen Dämpfungskondensator C12 dem Digitaleingang DAT
der Schnittstelle 10 zugeführt. Hierdurch können sowohl die 50 Hz-Netzfrequenz unterdrückt, als auch die
Eingangsströme jeder Schnittstelle geringgehalten werden. Anwendbar ist auch eine optische Kopplung, jedoch
weist diese einen erhöhten Stromverbrauch auf.
Als Stellsignale werden 255 (entsprechend 8 bit) Helligkeitswerte vorgesehen. Auch das Steuersignal "AUS",
dargestellt durch das binäre Wort "Null" ist möglich. Durch das vorgenannte Signal AUS versetzt sich das
Gesamt-EVG sofort oder nach einer geringen Zeitspanne in einen stromsparenden Abschaltmodus (SLEEP).
In ihm wird der Meßstromverbrauch des gesamten Vorschaltgerätes minimal. Der Wechselrichter 30 und die
Ansteuerschaltung 31 werden stillgelegt und ggf. nach geringer weiterer Zeitverzögerung auch die wesentlichen
Baugruppen des Steuer- und Regelschaltkreises 17. Lediglich die Empfangsschaltung der Sende- und
Empfangseinrichtung 10 und die Überwachungsschaltung für die Erkennung eines Notbetriebes (NOT) bleiben
aktiviert. Die Gesamtkreisleistung sinkt damit unter 1 W. Trifft jedoch in einem solchen Zustand ein neues
Stellsignal ein, so nimmt die Steuer- und Regelschaltung 17 sofort die Einschaltsequenz vor, die mit Vorheizen
und Zündvorgang (ZÜND) in den stationären Betrieb überleitet und dort wird für eine sofortige Einstellung
des gewünschten Helligkeitswertes (DIMM) gesorgt.
Neben der Steuerung der Helligkeit und des Notbeleuchtungsmodus sowie des Abschalt-Modus (SLEEP-
Mode) obliegt dem Steuer- und Regelschaltkreis 17 auch die Aufgabe, sämtlichen vorgenannten Prozeßgrößen
die Informationen zu entnehmen, die zur Überwachung und Steuerung des EVG von Wichtigkeit sind.
Dies sind die Spannungsüberwachung, die Notbetriebs-Aufrechterhaltung und die Überwachung der
Leuchtstofflampen hinsichtlich Wendelbruch oder Gasdefekt. Auch werden durch die Meßgrößen die
verschiedenen Betriebszustände der Leuchtstoffröhre, wie Zünden, Vorheizen und stationärer Betrieb
unterscheidbar. Nachfolgend sollen die gemessenen und zur Überprüfung herangezogenen Prozeßgrößen
zusammengefaßt werden:
Versorgungsspannung Uac, UN,
Unter-/Überspannung UNmin, UNmax,
Batteriespannung UB,
Zwischenkreisspannung U0, Udc,
Lampenstrom/Betriebsstrom IL1, IL2,
Lampenspannung UL1, UL2,
Ausgangsspannung UHF,
Ausgangsstrom IHF,
Wendelstrom IW1, IW2,
Wechselspannungsgenerator-Zweigstrom IKap.
Batteriespannung UB,
Zwischenkreisspannung U0, Udc,
Lampenstrom/Betriebsstrom IL1, IL2,
Lampenspannung UL1, UL2,
Ausgangsspannung UHF,
Ausgangsstrom IHF,
Wendelstrom IW1, IW2,
Wechselspannungsgenerator-Zweigstrom IKap.
Anhand der aufgeführten Größen werden Überspannung und Unterspannung im Zwischenkreis und im
Versorgungskreis erfaßt. Die Steuer- und Regelschaltung 17 schaltet dabei alle Funktionen ab, wenn die
Spannung zu hoch wird, und kann erst wieder in Funktion gehen, wenn die Spannung einmal ab- und wieder
zugeschaltet wurde.
Das Auftreten von Unterspannung - welches zu einem gefährdenden kapazitiven Betrieb des Wechselrichters
führt - wird damit beantwortet, daß die Ansteuerschaltung 31 gesperrt wird. Solange die Netzversorgung nicht
die notwendige Spannung hat, um den Heizvorgang der Wendeln zu garantierten und den kapazitiven Betrieb
zu vermeiden, nimmt die Steuer- und Regeleinrichtung 17 keine Zündung vor. Erst nach Überschreiten eines
vorgebbaren Schwellenwertes wird der Zündvorgang ausgelöst. Dieses geschieht automatisch.
Eine Notbetriebsumschaltung auf eine vorgebbare Notbeleuchtungs-Helligkeit erfolgt beispielsweise dann,
wenn über den üblichen Wechselspannungs-Versorgungseingang des Einschaltkreises 20 und über den
Meßfühler R21, C25 (Fig. 4) eine Gleichspannung in UN von dem Regelschaltkreis 17 erkannt wird. Hierzu
dient eine Zähllogik, die bei Ausbleiben der Über- oder Unterschreitung eines vorgegebenen Schwellenwertes
den Notbetrieb einleitet. Dies kann nach einer vorgebenen Totzeit geschehen, die einzelne, möglicherweise
fehlende, Halbwellen, überbrückt.
Fällt in einem Leuchtensystem die normal speisende Wechselspannung Uac, UN aus, so wird eine
Notspannungsversorgung UB, die aus Batterien oder einem Generator gewonnen wird, auf die
Netzspannungsleitung gelegt. Dies erkennen die EVGs automatisch.
Im Notbetrieb wird die Helligkeit der Leuchtstofflampen nicht mehr durch den digital vorgegebenen
Helligkeitswert DIMM vorgegeben, sondern durch einen dezentral am Gerät vorgebbaren Trimmwert, der
über den Eingang UNOT vorgebbar ist. Sollte sich das EVG beim Eintreten dieses Notbetriebes im Abschalt-
Modus (SLEEP) befinden, d. h. Lampe und Wechselrichter abgeschaltet, so führt es zuerst den normalen
Zündvorgang (ZÜND) durch, um nachher auf die Notbetriebshelligkeit zu stellen.
Bei erkanntem Ende des Notbetriebszustandes geht das EVG in den vorherigen Zustand zurück, dies kann der
AUS-Zustand sein, wenn sich das EVG vorher dort befand. Dies kann jedoch auch der ursprüngliche
Helligkeitswert (DIMM) sein, sofern dieser vor Anforderung des Notbetriebes vorlag.
Über die Erfassung des Wendelstromes erfolgt eine Erkennung, ob entweder eine Lampe nicht eingesetzt ist
oder eine der beiden Wendein gebrochen ist. In einem dieser Fehler-Fälle wird der Wechselrichter 30 an
seiner maximalen Frequenz fing betrieben, was einerseits einen nach wie vor fließenden Heizstrom zur Folge
hat, wenn die defekte Lampe ausgetauscht worden ist und andererseits die Spannung an der defekten Lampe
auf das kleinstmögliche Maß heruntergesetzt. Dies ist zur Einhaltung der Sicherheitsbestimmung nach VDE
wichtig. Der induktive Teil des Serienresonanzkreises im Ausgang wird bei der genannten hohen Frequenz
fmax gegenüber dem kapazitiven Widerstand des Zündkondensators C17 so hoch, daß die Spannung am
Ausgang auf ungefährliche Werte beschränkt wird und keine Gefahr für das Wartungspersonal besteht.
Bei Einsetzen einer funktionsfähigen Lampe wird ohne weitere Maßnahmen nach Abwarten der Vorheizdauer
der Zündvorgang (ZÜND) eingeleitet.
Die interne Ablaufsteuerung im Steuer- und Regelschaltkreis 17 begrenzt weiterhin auch die Anzahl der
Startversuche auf zwei und setzt (sendet) immer dann, wenn ein Fehlerfall vorliegt, wenn z. B. die Lampe fehlt,
wenn ein Wendelbruch oder ein Gasdefekt vorliegt, ein Fehlersignal über die Sende- und Empfangseinrichtung
10 auf dem bidirektionalen Bus 12 ab. Dies gilt auch im Notbetrieb, da beim Defekt der Lampe der Notbetrieb
nicht eingehalten werden kann.
Verdrahtungsfehler, die zu einem Kurzschluß der Entladungsstrecke der Lampe führen können, aufgrund der
Prozeßsignale dann erfaßt werden, wenn die Lampenspannungen auf einen vorgegebenen minimalen Wert hin
überwacht werden. Dabei führt eine Unterschreitung dieses vorgegebenen Wertes, wie bei der
Netzüberspannungs-Überwachung zu einem Abschalten des gesamten EVG.
Auch die Zündunwilligkeit der Lampe, z. B. durch Gasdefekt, wird von dem Steuer- und Regelschaltkreis 17
erkannt. Wenn die Lampe innerhalb einer vorgegebenen Zündvorgabezeit nicht gezündet werden kann, d. h.
wenn ein Abfallen der Spannung an dem Zündkondensator C17 innerhalb dieser Zeitspanne nicht eintritt,
greift die genannte Sperre ein.
Neben einem vollständigen Abschalten und einer Fehlermeldung kann auch eine Wiederholzeit abgewartet
werden, nach der ein erneuter Zünd- und Starversuch unternommen wird. Wird auch hierbei kein Zünderfolg
bewirkt, so reagiert die Steuer- und Regelschaltung 17 wie bei Heizwendelbruch und setzt die Frequenz des
Wechselrichters 30 auf maximalen Wert fmax.
Bei Austauschen der Lampe, was der Steuer- und Regelschaltkreis 17 an einem Ansteigen der
Lampenspannung oder an einem Verändern des Heizwendelstromes erkennt, erfolgt nach Wiedereinsetzen
einer neuen Lampe neuerlich ein Zündversuch.
Zur Helligkeitsregelung der Leuchtstofflampen sei folgendes erläutert. Es findet eine echte Helligkeitsregelung
Anwendung, da diese lampentypunabhängig gleiche Lampenleistungen - bei im wesentlichen gleichem
Lampenwirkungsgrad - gewährleistet. Die istwertbestimmenden Meßgrößen Lampenstrom, Lampenspannung
werden multipliziert und analog oder digital mit den über die Sende- und Empfangseinrichtung 10
ferngesteuert vorgegebenen Sollwerten verglichen. Das Vergleichsergebnis steuert unmittelbar oder über einen
Regler die Frequenz f des Wechselspannungsgenerators 30. Wird eine genauere Helligkeitsabstufung
gewünscht, so kann eine logarithmische Sollwertanpassung erfolgen. Auf gleiche Weise kann eine exponentielle
Istwertgewichtung durchgeführt werden. Neben der Lampentypunabhängigkeit wird auch eine Kompensation
von Lampenalter, von der bestehenden Betriebstemperatur und auch von der möglicherweise schwankenden
Netzspannung UN erreicht.
Mit der prozeßsignalgesteuerten Betriebszustandsüberwachung wird es auch möglich, das Zünden der Lampen
auf kleine Helligkeitswerte durchzuführen, wobei der normalerweise auftretende Lichtimpuls vermieden
werden kann. Letzterer ist bedingt durch die sich im Ausgangskreis durch den Zündvorgang speichernde
Energie, die dann nach Zünden schlagartig in die Lampe entladen wird. Zur Unterdrückung bzw. Beseitigung
wird eine schnelle Zünderkennung - über die Änderung der Lampenbrennspannung UL1, UL2 - vorgesehen,
sowie eine schnelle Reduktion des Lampenstroms nach dem Zünden ausgeführt. Letzteres durch
augenblickliche Verschiebung der Wechselrichter-Ausgangsfrequenz in Richtung zu höheren Frequenzen hin.
Hierdurch wird der Glimmbereich zwischen dem Zünden und der stationären Gasentladung künstlich
verlängert. Hierdurch wurde unter normalen Umständen eine Reduktion der Lampenlebensdauer auftreten.
Dies wird gem. dem Ausführungsbeispiel jedoch vermieden, da die Verlängerung der Glimmphase nur für die
kritischen niedrigen Helligkeitswerte eingesetzt wird. Für große Helligkeitswerte wird der Strom auf einem
höheren Pegel gehalten, wodurch die Glimmphase verkürzt wird. Dies kann über digitale Steuerworte und die
Sende- und Empfangseinrichtung 10 per Software eingestellt werden.
In Fig. 9 ist ein Helligkeits-Zeitdiagramm dargestellt, in welchem die Helligkeit der von dem EVG gemäß
Fig. 1 gesteuerten Lampe zeitabhängig variiert wird. Zunächst ist maximale Helligkeit vorgesehen, es folgt ein
über die Busleitung 12 und die Digitalschnittstelle 10 vorgegebener Abschalt-Zyklus. Die Helligkeit wird gem.
einer vorgegebenen Steigung bis auf Null reduziert, sodann schalten sich der Wechselrichter 30, seine
Treiberschaltung 31 und wesentliche Teile des Steuer-ICs 17 zur Stromersparnis ab. Ein daraufhin folgender
Notbeleuchtungs-Zustand führt - trotz abgeschaltetem System - zu einem gesteuerten Zünden sowie einem
Aufbau der Helligkeit der Lampe auf die voreingestellte Notbeleuchtungshelligkeit (NOT). Diese ist über die
Sollwert-Vorgabe UNOT für jedes dezentrale EVG veränderbar. Ebenso ist der in Fig. 9 eingezeichnete
maximale und minimale Helligkeitswert (MIN, MAX) über eine entsprechende Sollwertvorgabe einstellbar
oder abgleichbar.
In Fig. 10 ist ein programmtechnisch gesteuerter "Softstart" als Helligkeits-Zeitdiagramm schematisch
dargestellt. Das EVG 60 befindet sich zunächst in abgeschaltetem Zustand (AUS). Der Befehl "Softstart" führt
nun entweder auf ein automatisches steigungsgeregeltes Ansteigen der Lampenhelligkeit - nach deren
Zündung - oder zu einem programmgesteuerten inkrementalen Anwachsen der Lampenhelligkeitsstufen. Im
letzteren Fall werden von dem zentralen Steuergerät 50 aus in bestimmten Zeitabschnitten inkremental
wachsende Helligkeitswerte gesendet. Die dezentralen EVGs folgen den Anforderungen nahezu
verzögerungslos. Hierdurch wird ein änderungsgeschwindigkeits-gesteuertes (geregeltes) Ansteigen und
Abfallen der dezentralen Lichtquellen möglich.
Claims (34)
1. Verfahren zur Steuerung der Helligkeit und des Betriebsverhaltens von Gasentladungslampen (GE-Lampen)
über ein elektronisches Vorschaltgerät (EVG)
mit einem in seiner Ausgangsfrequenz (f) variierbaren Wechselspannungsgenerator (WR, 30),
mit einer Gleichrichterschaltung (GR, 20), die den Wechselspannungsgenerator (30) speist, und
mit einem Lastkreis (40), der mindestens einen Reihenschwingkreis (L3, C14) und mindestens eine Gasentladungslampe (LA1, LA2, GE-Lampe) aufweist, und der von dem Wechselspannungsgenerator (30) mit einer varlierbaren Wechselspannung (UHF) gespeist wird, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Steuer- und Regeleinrichtung (17) und eine Sende- und Empfangseinrichtung (10) vorgesehen sind, der über einen digitalen Steuereingang (DAT), Befehle zur Steuerung und Regelung der Helligkeit (E, Pist) und des Betriebszustandes (MIN, MAX, NOT, SLEEP, DIMM, ZÜND, AUS, EIN), der mindestens einen Gasentladungslampe (LA1, LA2) zuführbar sind, bzw. zugeführt werden.
mit einem in seiner Ausgangsfrequenz (f) variierbaren Wechselspannungsgenerator (WR, 30),
mit einer Gleichrichterschaltung (GR, 20), die den Wechselspannungsgenerator (30) speist, und
mit einem Lastkreis (40), der mindestens einen Reihenschwingkreis (L3, C14) und mindestens eine Gasentladungslampe (LA1, LA2, GE-Lampe) aufweist, und der von dem Wechselspannungsgenerator (30) mit einer varlierbaren Wechselspannung (UHF) gespeist wird, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Steuer- und Regeleinrichtung (17) und eine Sende- und Empfangseinrichtung (10) vorgesehen sind, der über einen digitalen Steuereingang (DAT), Befehle zur Steuerung und Regelung der Helligkeit (E, Pist) und des Betriebszustandes (MIN, MAX, NOT, SLEEP, DIMM, ZÜND, AUS, EIN), der mindestens einen Gasentladungslampe (LA1, LA2) zuführbar sind, bzw. zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Abschalt-Betriebszustand (AUS), in welchem die Gasentladungslampen-Lampe abgeschaltet wird,
der Wechselspannungsgenerator (WR, 30) über eine Treiberschaltung (31) und die Steuer- und
Regeleinrichtung (17) sofort oder nach einer vorgegebenen Zeitspanne stillgelegt wird (SLEEP) .
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuer- und Regeleinrichtung (17) mit dem Wechselspannungsgenerator (WR, 30) zeitgleich oder
geringfügig verzögert stiligelegt wird (SLEEP) und
daß bei Empfang eines neuen digitalen Helligkeitsbefehls (DIMM) die Steuer- und Regeleinrichtung (17) und
der Wechselspannungsgenerator (30) wiederaktiviert werden.
daß bei Empfang eines neuen digitalen Helligkeitsbefehls (DIMM) die Steuer- und Regeleinrichtung (17) und
der Wechselspannungsgenerator (30) wiederaktiviert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere EVGs (60-1, 60-2, . . . , 60-i) je mit einer Steuer- und Regeleinrichtung (17) sowie einer Sende- und
Empfangseinrichtung (10) versehen und über je ein Busleitungspaar (12) oder über ein einzelnes
Busleitungspaar (12) gemeinsam mit einem zentralen Steuergerät (50, 51) verbindbar sind, welches Befehle an
die Empfangsteile der Sende- und Empfangseinrichtungen (10) der mehreren EVGs (60-i) abgibt und
Betriebszustandsinformation oder Fehlermeldungen von ihren Sendeteilen empfängt, auswertet (50) und
anzeigt (51) [Luxmate].
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Veränderung einer die Gleichrichterschaltung (20) speisenden Versorgungsspannung (UN, Uac)
erfaßt wird und die Steuer- und Regelschaltung (17) daraufhin den Betriebszustand und/oder die Helligkeit
(E) der GE-Lampe (LA1, LA2) entsprechend verändert,
insbesondere bei Erkennen von Gleichspannung (UB) einen vorgebbaren Notbeleuchtungspegel (NOT)
einstellt [Nothelligkeit].
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Veränderung einer den Wechselspannungsgenerator (30) speisenden Zwischenkreis-Gleichspannung
(U0, Udc) vor und/oder während des stationären Betriebes erfaßt und daraufhin der Betriebszustand der GE-
Lampe (LA1, LA2) entsprechend beeinflußt wird,
insbesondere bei Überschreiten eines vorgegebenen Überspannungswertes (UNmax) abgeschaltet und bei
Unterschreiten eines Unterspannungswertes (UNmin) nicht gezündet wird [Spannungsüberwachung].
7. Verfahren nach Anspruch 1, 5 oder Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Erkennung einer des EVG (60) speisenden Gleichspannung (UB) statt einer regelmäßigen
Versorgungs-Wechselspannung (UN, Uac) über eine Zahllogik erkennbar ist, die den zeitlichen Abstand des
Auftretens eines vorgebbaren Schwellenwertes in der Versorgungsspannung (UN, UB) überwacht bzw. erkennt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der mittels eines Einstellorgans (R7, C28, R6) voreingestellte Notbeleuchtungspegel (NOT) Vorrang vor
einem mittels Befehlswort eingestellten Helligkeitspegel (DIMM) und dem ggf. vorliegenden Abschaltzustand
(AUS, SLEEP) hat.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
bei dem nach Aktivieren des Notbeleuchtungspegels (NOT) ein Zurückfallen in den Abschalt-Betriebszustand
(SLEEP, AUS) dann erfolgt, wenn letzterer vor Aktivieren des Notbeleuchtungspegels (NOT) vorgelegen hat.
10. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem mehrere voreinstellbare Sollwerte (NOT, TR1, TR2) als Helligkeitspegel der GE-Lampe(n) der oder
jeder Steuer- und Regeleinrichtung (17) oder der oder jeder Sende- und Empfangseinrichtung (10) mittels
Potentiometern, Trimmwiderständen oder Spannungsteilern (R2, R6, R7, R32, R33) vorgebbar sind, die über
Befehlsworte an die Sende- und Empfangseinrichtung (10) individuell abrufbar bzw. von der Steuer- und
Regeleinrichtung (17) über den Wechselspannungsgenerator (30) an der/den GE-Lampe(n) (40) einstellbar
sind.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die gedimmten Helligkeitswerte (DIMM) über ein logarithmisch oder exponentiell wirkendes
Funktionsglied im Sollwertkanal oder im Istwertkanal des Helligkeitsregelkreises (Psoll, Eist) verändert werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerung und Regelung der Helligkeit (E) und der Betriebszustände (DIMM, NOT, SLEEP, ZÜND)
der GE-Lampe(n) (LA1, LA2) über Frequenzveränderung (f) der von dem Wechselspannungsgenerator (40)
abgegebenen Wechselspannung (UHF) bewirkt werden oder
daß eine Frequenz-Veränderung (f) und eine Tastverhältnisänderung der Wechselspannung (UHF) zur
Helligkeitsveränderung (Eist) der GE-Lampe(n) durchgeführt wird, wobei insbesondere im unteren
Dimmbereich (DIMM, MIN) das Tastverhältnis geringer gewählt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Befehlsworte als digitale Steuerworte, insbesondere mit 8 bit-Wortlänge, seriell über eine Steuerleitung
(12) geführt werden und der oder jeder Sende- und Empfangseinrichtung (10), der oder jeder Steuer- und
Regeleinrichtung (17) des oder jedes angeschlossenen EVGs (60-i) zugeführt werden [LAN].
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß jedes angeschlossene EVG (60-i) über die Befehlsworte individuell oder in Funktionsgruppen ansprechbar
und steuerbar, insbesondere dimmbar, ist.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die seriellen Befehlsworte über einen Bandpaß oder ein Differenzierglied (C22, C23, R3, R4, R5, C12) der
Sende- und Empfangseinrichtung (10) zugeführt werden [Koppelfilter] .
16. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Vermeidung von parasitärem Licht(im)pulsen die Zeitdauer der Glimmphase zwischen Zündvorgang
(ZÜND) und stationärem Neun- oder Dimmbetrieb (DIMM) befehlswortgesteuert (DAT, 10) abhängig von
der stationären Helligkeit (DIMM) verändert wird [Lichtpulskompensation].
17. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zeitdauer der Glimmphase für geringe stationäre Helligkeiten (DIMM, MIN) verlängert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Helligkeit vom Abschalt-Zustand (AUS) der Gasentladungslampen-Lampe durch einen Sammelbefehl
oder mittels incrementaler Dimmbefehle änderungsgeschwindigkeitsgesteuert zu der erwünschten stationäre
Helligkeit (DIMM) geführt wird oder andersherum [Softstart, -stop].
19. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß nach einer vorgebbaren Anzahl von, insbesondere zwei, erfolglosen Zündversuchen (ZÜND) der GE- Lampe(n) (LA1, LA2), eine interne Ablaufsteuerung weitere Zündversuche (ZÜND) unterbindet,
daß anhand von der Steuer- und Regeleinrichtung (17) zugeführten m Meßwertsignalen (UL1, UL2, IW1, IW2, Udc, Uac) die Fehlerursache bestimmt wird und
daß eine entsprechende Fehlermeldung über die Sende- und Empfangseinrichtung (10) auf dem Busleitungspaar (12) abgesetzt wird [Fehlererkennung].
daß nach einer vorgebbaren Anzahl von, insbesondere zwei, erfolglosen Zündversuchen (ZÜND) der GE- Lampe(n) (LA1, LA2), eine interne Ablaufsteuerung weitere Zündversuche (ZÜND) unterbindet,
daß anhand von der Steuer- und Regeleinrichtung (17) zugeführten m Meßwertsignalen (UL1, UL2, IW1, IW2, Udc, Uac) die Fehlerursache bestimmt wird und
daß eine entsprechende Fehlermeldung über die Sende- und Empfangseinrichtung (10) auf dem Busleitungspaar (12) abgesetzt wird [Fehlererkennung].
20. Schaltungsanordnung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der
vorhergehenden Ansprüche,
mit einem in seiner Ausgangsfrequenz (f) variierbaren Wechselspannungsgenerator (30, WR),
mit einer Gleichrichterschaltung (GR, 20), die den Wechselspannungsgenerator (30) speist, und mit einem Lastkreis (40), der mindestens einen Reihenschwingkreis (L3, C14) und mindestens eine Gasentladungslampe (LA1, LA2, GE-Lampe) aufweist, und der von dem Wechselspannungsgenerator (30) mit
einer varriierbaren Wechselspannung (UHF) gespeist wird, gekennzeichnet durch,
eine Steuer- und Regeleinrichtung (17), der eine Mehrzahl (m) von Meßgrößen, wie Lampenstrom (IL1, IL2), Lampenwechselspannung (UL1, UL2), Heizwendelstrom (IW1, IW2), Wechselspannungsgenerator-Zweigstrom (iKap), Wechselrichter-Ausgangsspannung (UHF), Zwischenkreis-Gleichspannung (Udc, U0), unmittelbar dezentral und eine Mehrzahl (n) von System-Sollwerten, wie Notbeleuchtungspegel (NOT), oberer und unterer Helligkeitsgrenzwert (MIN, MAX, TR1, TR2), Betriebs-Heiligkeitspegel (Esoll, Psoll), entweder unmittelbar dezentral oder über eine Sende- und Empfangseinrichtung (10) mittelbar zentral zuführbar sind.
mit einem in seiner Ausgangsfrequenz (f) variierbaren Wechselspannungsgenerator (30, WR),
mit einer Gleichrichterschaltung (GR, 20), die den Wechselspannungsgenerator (30) speist, und mit einem Lastkreis (40), der mindestens einen Reihenschwingkreis (L3, C14) und mindestens eine Gasentladungslampe (LA1, LA2, GE-Lampe) aufweist, und der von dem Wechselspannungsgenerator (30) mit
einer varriierbaren Wechselspannung (UHF) gespeist wird, gekennzeichnet durch,
eine Steuer- und Regeleinrichtung (17), der eine Mehrzahl (m) von Meßgrößen, wie Lampenstrom (IL1, IL2), Lampenwechselspannung (UL1, UL2), Heizwendelstrom (IW1, IW2), Wechselspannungsgenerator-Zweigstrom (iKap), Wechselrichter-Ausgangsspannung (UHF), Zwischenkreis-Gleichspannung (Udc, U0), unmittelbar dezentral und eine Mehrzahl (n) von System-Sollwerten, wie Notbeleuchtungspegel (NOT), oberer und unterer Helligkeitsgrenzwert (MIN, MAX, TR1, TR2), Betriebs-Heiligkeitspegel (Esoll, Psoll), entweder unmittelbar dezentral oder über eine Sende- und Empfangseinrichtung (10) mittelbar zentral zuführbar sind.
21. Schaltungsanordnung nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß aus den Meßwerten Lampenstrom (IL1, IL2) und Lampenspannung (UL1, UL2) die tatsächliche
Lampenleistung (Pist) bzw. deren Helligkeit (Eist) ermittelt wird und mit einem zentral vorgebbaren
Helligkeitswert (Psoll, Esoll) vergleichbar ist und
daß auf der Basis des Differenzsignales eine Frequenzänderung (f) des dezentralen
Wechselspannungsgenerators (30) im EVG (60-i) vorgenommen wird.
22. Schaltungsanordnung nach Anspruch 20 oder 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuer- und Regeleinrichtung (17) aus den Meßwerten Lampenstrom (IL1, IL2) und
Wechselspannungsgenerator-Ausgangsspannung (UHF) durch Vergleich der Nulldurchgänge beider bzw. der relativen Phase zwischen beiden Meßgrößen (UHF; IL1, IL2) ein kapazitiver Betrieb des Lastkreises (40) erfaßbar ist und
daß bei Erfassen einer solchen Betriebsweise die Frequenz (f) des Wechselspannungsgenerators (30) aufwärts verschoben wird [Wechselrichterschutz].
daß die Steuer- und Regeleinrichtung (17) aus den Meßwerten Lampenstrom (IL1, IL2) und
Wechselspannungsgenerator-Ausgangsspannung (UHF) durch Vergleich der Nulldurchgänge beider bzw. der relativen Phase zwischen beiden Meßgrößen (UHF; IL1, IL2) ein kapazitiver Betrieb des Lastkreises (40) erfaßbar ist und
daß bei Erfassen einer solchen Betriebsweise die Frequenz (f) des Wechselspannungsgenerators (30) aufwärts verschoben wird [Wechselrichterschutz].
23. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 20-22,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Meßwert Heizwendelstrom (IW1, IW2) daraufhin überwacht wird, daß er einen vorgegebenen
Schwellenwert überschreitet und
daß bei Absinken unter den vorgenannten Schwellenwert der Wechselspannungsgenerator (30) von der Steuer- und Regeleinrichtung (17) zu seiner maximalen Frequenz (fmax) hin verschoben wird und
daß über die Sende- und Empfangseinrichtung (10) ein digitales Fehlersignalwert abgegeben wird [Lampenüberwachung].
daß bei Absinken unter den vorgenannten Schwellenwert der Wechselspannungsgenerator (30) von der Steuer- und Regeleinrichtung (17) zu seiner maximalen Frequenz (fmax) hin verschoben wird und
daß über die Sende- und Empfangseinrichtung (10) ein digitales Fehlersignalwert abgegeben wird [Lampenüberwachung].
24. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 20-23,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Lampenstrom (IL1, IL2) eine unwesentliche Gleichstromkomponente überlagerbar ist, welche
vorzugsweise im Bereich geringer Helligkeitswerte (DIMM, MIN) der GE-Lampe (LA1, LA2) anwesend ist.
25. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 20 oder 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Veränderung der Frequenz (f) des Wechselspannungsgenerators (30) mittels eines in der Steuer- und
Regeleinrichtung (17) vorgesehenen spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) bewirkt wird.
26. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 20 oder 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Falle des Notbetriebes der zentral vorgegebene Helligkeitswert (Psoll, Esoll) durch den dezentral an der
jeweiligen Steuer- und Regeleinrichtung (17) jedes EVGs (60-i) vorgebbaren voreingestellen
Notbeleuchtungspegel (NOT) ersetzt wird.
27. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 20-26,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßwertauswertung und Fehlerermittlung von der Steuer- und Regeleinrichtung (17) dezentral
lampenindividuell durchführbar ist und
daß die jeweiligen Betriebszustandsinformationen oder lampenindividuellen Fehlermeldungen von den
Sendeteilen der Sende- und Empfangseinrichtung (10) auf ein bidirektional arbeitendes Busleitungspaar (12)
in digital kodierter Form übertragbar sind [Fehlerinformation].
28. Ausgangs-Schaltungsanordnung für ein elektronisches Vorschaltgerät (EVG)
mit einer Steuer- und Regeleinrichtung (17), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-19,
mit mindestens einem Paar von Serienresonanzkreisen (L2, C15; L3, C16), die den Ausgang eines Wechselspannungsgenerators (30, WR) mit je einem Paar von Gasentladungslampen (LA1, LA2, GE-Lampe) verbinden,
mit mindestens einem Paar von Zündkondensatoren (C17, C18) von denen je einer eines Paares parallel zu je einer eines Paares von GE-Lampen (LA1, LA2), geschaltet ist und mit mindestens einem induktiven Symmetrierelement (TR1), das von den Lampenströmen (IL1, IL2) je eines Paares von GE-Lampen (LA1, LA2) gegensinnig magnetisierbar ist.
mit einer Steuer- und Regeleinrichtung (17), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-19,
mit mindestens einem Paar von Serienresonanzkreisen (L2, C15; L3, C16), die den Ausgang eines Wechselspannungsgenerators (30, WR) mit je einem Paar von Gasentladungslampen (LA1, LA2, GE-Lampe) verbinden,
mit mindestens einem Paar von Zündkondensatoren (C17, C18) von denen je einer eines Paares parallel zu je einer eines Paares von GE-Lampen (LA1, LA2), geschaltet ist und mit mindestens einem induktiven Symmetrierelement (TR1), das von den Lampenströmen (IL1, IL2) je eines Paares von GE-Lampen (LA1, LA2) gegensinnig magnetisierbar ist.
29. Ausgangs-Schaltungsanordnung nach Anspruch 28,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Symmetrierelemente (TR1) ein Zweiwicklungs-Übertrager ist, dessen beide Wicklungen gleiche
Windungszahlen aufweisen.
30. Ausgangs-Schaltungsanordnung nach Anspruch 28 oder 29,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Paar von Strommeßgliedern (R31, R32), vorzugsweise ein Paar von niederohmigen Shunts, vorgesehen ist, wobei je ein Strommeßglied (R31, R32) in Serie zu je einer Gasentladungslampe geschaltet ist,
daß mindestens ein Paar von Spannungsmeßgliedern (R25-R28), vorzugsweise von Paar von Spannungsteilern vorgesehen ist, wobei je ein Spannungsmeßglied (R25, R27; R26, R28) parallel zu je einer Gasentladungslampe geschaltet ist und
daß alle den Meßgliedern entnommenen Meßgrößen (UL1, UL2, IL1, IL2) der Steuer- und Regeleinrichtung zugeführt werden.
daß mindestens ein Paar von Strommeßgliedern (R31, R32), vorzugsweise ein Paar von niederohmigen Shunts, vorgesehen ist, wobei je ein Strommeßglied (R31, R32) in Serie zu je einer Gasentladungslampe geschaltet ist,
daß mindestens ein Paar von Spannungsmeßgliedern (R25-R28), vorzugsweise von Paar von Spannungsteilern vorgesehen ist, wobei je ein Spannungsmeßglied (R25, R27; R26, R28) parallel zu je einer Gasentladungslampe geschaltet ist und
daß alle den Meßgliedern entnommenen Meßgrößen (UL1, UL2, IL1, IL2) der Steuer- und Regeleinrichtung zugeführt werden.
31. Ausgangs-Schaltungsanordnung nach Anspruch 28,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Heizwendeln je einer Gasentladungslampe von je einem Heizübertrager (L5, L4) mit einer Primär- und
je einer Sekundärwicklung für jede Heizwendel der Gasentladungslampe spannungsgesteuert beheizbar sind,
wobei jeder Heizübertrager (L4, L5) primärseitig parallel zu der Gasentladungslampe geschaltet ist, deren Heizwendeln er beheizt.
daß die Heizwendeln je einer Gasentladungslampe von je einem Heizübertrager (L5, L4) mit einer Primär- und
je einer Sekundärwicklung für jede Heizwendel der Gasentladungslampe spannungsgesteuert beheizbar sind,
wobei jeder Heizübertrager (L4, L5) primärseitig parallel zu der Gasentladungslampe geschaltet ist, deren Heizwendeln er beheizt.
32. Ausgangs-Schaltungsanordnung nach Anspruch 31,
dadurch gekennzeichnet,
daß jedem Heizübertrager (L4, L5) primärseitig je ein Strommeßglied (R10, R11) in Serie geschaltet ist, dessen
jeweiliges Ausgangssignal (IL1, IL2) der Steuer- und Regeleinrichtung (17) zur Detektion der
Heizwendelbeschaffenheit und zur Ableitung eines Fehlersignales hieraus zuführbar ist.
33. Ausgangs-Schaltungsanordnung nach Anspruch 25 oder 31,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Lampenstrom (IL1, IL2) eine geringfügige Gleichstromkomponente überlagerbar ist, die
kontinuierlich oder abhängig von der Helligkeit der Gasentladungslampe anwesend ist und bevorzugt etwa 1%
des Lampenstromes beträgt [Schichtenkompensation].
34. Ausgangs-Schaltungsanordnung nach Anspruch 33,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gleichstromkomponente im Lampenstrom durch eine Zenerdiode (V16, V17) bewirkt wird, die in Serie
zu dem oder den Heizübertragern(n) (L4, L5) geschaltet ist.
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