DE4102069A1 - Schaltungsanordnung zum betrieb einer entladungslampe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Entladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine relativ einfa­ che und mit geringen Herstellungskosten verbundene Schaltungsanordnung für den Betrieb einer Entladungs­ lampe bereitzustellen, die es ermöglicht, die Ent­ ladungslampe mit konstanter elektrischer Leistung zu versorgen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen finden sich in den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung besitzt den entscheidenden Vorteil, daß bei Kurzschlußbetrieb au­ tomatisch die Spannung und bei zu hoher Spannung auto­ matisch der Strom überproportional zurückgeregelt werden.

Der Arbeitsbereich der erfindungsgemäßen Schaltungsan­ ordnung, in dem die Lampenleistung nahezu konstant ist, wird durch Verwendung eines zweiten Operations­ verstärkers, der als Komparator verschaltet ist und eine Arbeitspunktumschaltung in Abhängigkeit der Lam­ penbrennspannung bewirkt, erweitert. Außerdem können Unterschiede in der Lampenbrennspannung, die herstel­ lungsbedingt oder durch den Alterungsprozeß der Ent­ ladungslampen verursacht sind, aufgefangen werden. Ferner ermöglicht diese Schaltungsanordnung die Ab­ weichung der elektrischen Leistung an der Entladungs­ lampe vom Sollwert auf ungefähr ± 1% zu begren­ zen. Weiterhin besitzt dieses zweite Ausführungs­ beispiel eine relativ hohe Stabilität gegenüber Temperaturschwankungen. Beim dritten Ausführungs­ beispiel wird durch Verwendung einer Zenerdiode, die parallel zum ersten Spannungsteiler angeordnet ist, der Arbeitsbereich der erfindungsgemäßen Schaltungs­ anordnung erweitert, so daß hier ebenfalls herstel­ lungs- oder alterungsbedingte Streuungen der Lampen­ brennspannung ausgeglichen werden können. Ein weiterer sehr wichtiger Vorteil des dritten Ausführungs­ beispiels besteht darin, daß die Aufgabe der Erfindung mit einem sehr geringen Schaltungs- und Kostenaufwand gelöst wird. Dabei beträgt die Abweichung der elek­ trischen Leistung der Entladungslampe von ihrem Sollwert im Arbeitsbereich dieses Ausführungsbeispiels nur etwa ± 2%.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird nun an­ hand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der gesamten Schaltungs­ anordnung zum Betrieb einer Entladungslampe;

Fig. 2 den Aufbau des Schaltungsteils ADD nach einem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 den Aufbau des Schaltungsteils ADD nach ei­ nem zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 den Aufbau des Schaltungsteils ADD nach ei­ nem dritten Ausführungsbeispiel.

In Fig. 1 ist mit Hilfe eines Blockschaltbildes die gesamte Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Entla­ dungslampe schematisch dargestellt. Die Schaltungsan­ ordnung weist hier eine Gleichspannungsquelle U_Batt, ein Schaltnetzteil SNT, einen Wechselrichter WR, ein Zündgerät ZG, eine Entladungslampe L, eine Steuer­ schaltung ST und einen Schaltungsteil ADD zur Erfas­ sung der Lampenleistung auf.

Der Schaltungsteil ADD übersetzt die momentane Lam­ penleistung in ein Spannungssignal, vergleicht dieses mit einem Referenzsignal und gibt das Differenzsignal auf einen Eingang der Steuerschaltung ST, die das Schaltnetzteil SNT so taktet, daß die Entladungslam­ pe L, die am Ausgang des Schaltnetzteiles SNT an­ geschlossen ist, mit nahezu konstanter elektrischer Leistungsaufnahme betrieben wird. Als Gleichspannungs­ quelle U_Batt kann eine Batterie oder eine Wechsel­ spannungsquelle mit nachgeschaltetem Gleichrichter dienen. Der Wechselrichter WR entfällt bei Gleich­ stromentladungslampen.

Im folgenden werden drei Ausführungsbeispiele einer Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Entladungslampe beschrieben, die sich nur im Aufbau des Schaltungs­ teils ADD unterscheiden.

Die Fig. 2 zeigt den Aufbau des Schaltungsteils ADD nach einem ersten Ausführungsbeispiel. Dargestellt sind außerdem auch der Ausgangskondensator CA des Schaltnetzteils SNT und eine Hochdruckentladungslam­ pe L mit einer Leistungsaufnahme von 75 Watt und einer Brennspannung von ca. 85 Volt.

Parallel zum Ausgangskondensator CA und parallel zur Entladungslampe L ist ein erster Spannungsteiler R2, R3 geschaltet, der aus den ohmschen Widerständen R2 und R3 besteht, die einen Widerstand von 120 kΩ bzw. 300 Ω aufweisen. Ein weiterer ohmscher Widerstand R1 mit einem Widerstandswert von 0,22 Ω, der hier Strommeßwiderstand genannt wird, ist über einen Ver­ zweigungspunkt A, der auf Erdpotential liegt, mit dem Ausgangskondensator CA und über einen Verzweigungs­ punkt B mit der Entladungslampe L und dem ohmschen Widerstand R2 des ersten Spannungsteilers R2, R3 verbunden.

Der erste Spannungsteiler R2, R3 besitzt zwischen den Widerständen R2 und R3 einen Abgriff C, der über ein Tiefpaßfilter R2, C1, das aus dem Widerstand R2 und dem Kondensator C1 mit einer Kapazität von 100 nF besteht, an den nichtinvertierenden Eingang eines ersten Operationsverstärkers IC2-A angeschlossen ist. An den invertierenden Eingang des ersten Operations­ verstärkers IC2-A ist über einen 15 kΩ-Widerstand R4 eine erste Referenzspannung U1 angelegt. Der Ausgang des ersten Operationsverstärkers IC2-A ist über ein RC-Glied R5, C2, das einen Widerstand von 56 kΩ und eine Kapazität von 22 nF besitzt, zum invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers IC2-A rück­ gekoppelt.

Der Strommeßwiderstand R1 wird wegen des relativ hohen Widerstandswertes von R3 nahezu vom gesamten Lampen­ strom durchflossen und erzeugt daher einen zum Lam­ penstrom proportionalen Spannungsabfall. Der ohmsche Widerstand R2 des ersten Spannungsteilers R2, R3 bewirkt einen zur Lampenbrennspannung proportionalen Spannungsabfall. Da der Verzweigungspunkt A auf Erd­ potential liegt, addieren sich die Spannungsabfälle über den Widerständen R1 und R2 zu einer Gesamt­ spannung Up, die über den Abgriff C am nichtinver­ tierenden Eingang des Operationsverstärkers IC2-A anliegt. Die Gesamtspannung Up wird mit einer ersten Referenzspannung U1 verglichen, die am invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers IC2-A an­ liegt. Der erste Operationsverstärker IC2-A führt also einen Soll-Ist-Vergleich durch und arbeitet als so­ genannter PI-Regler. Vom Ausgang des ersten Opera­ tionsverstärkers IC2-A erhält die Steuerschaltung ST, die das Schaltnetzteil SNT taktet, das verstärkte Differenzsignal. Im Arbeitspunkt des Schaltungsteils ADD kann die Gesamtspannung Up bzw. das Differenz­ signal zur Regelung der Lampenleistung benutzt werden. Der Arbeitspunkt des Schaltungsteils ADD wird mit Hilfe des Widerstandes R2 und der ersten Referenz­ spannung U1 auf den gewünschten Wert eingestellt.

Die Fig. 3 zeigt den Aufbau des Schaltungsteils ADD nach einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Schaltung des zweiten Ausführungsbeispiels stellt eine Erweite­ rung des ersten Ausführungsbeispiels dar. Insbesondere enthält das Schaltungsteil ADD des zweiten Ausfüh­ rungsbeispiels sämtliche elektronischen Bauelemente, die auch Bestandteil des Schaltungsteils ADD des ersten Ausführungsbeispiels sind. Diese Bauelemente besitzen hier in Fig. 3 dieselben numerischen Indizes wie in Fig. 2. In Fig. 3 sind außerdem die Entla­ dungslampe L und der Ausgangskondensator CA des Schaltnetzteiles SNT dargestellt.

Parallel zur Entladungslampe L und parallel zum Aus­ gangskondensator CA ist ein zweiter Spannungsteiler R6, R7, der aus zwei ohmschen Widerständen R6 und R7 besteht, geschaltet. Ein Abgriff D des zweiten Span­ nungsteilers R6, R7 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers IC2-B verbunden. Am invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers IC2-B liegt eine zweite Refe­ renzspannung U2 an. Der Ausgang des zweiten Ope­ rationsverstärkers IC2-B ist über einen ohmschen Wi­ derstand R8 an die Steuerelektrode eines ersten Transistorschalters T1 angeschlossen. Der erste Transistorschalter T1 ist einerseits mit einem Pol U1 der ersten Referenzspannungsquelle verbunden und andererseits über einen Spannungsteiler R9, R10, der aus den ohmschen Widerständen R9 und R10 besteht mit dem anderen Pol der ersten Referenzspannungsquelle, d. h., dem Erdpotential verbunden. Der Abgriff E dieses Spannungsteilers R9, R10 ist über den ohmschen Widerstand R4′ an den invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers IC2-A′ geführt. Parallel zum Transistorschalter T1 und zum Widerstand R9, aber in Reihe zum Widerstand R10 ist ein weiterer ohmscher Widerstand R11 geschaltet, der über einen Verzwei­ gungspunkt F mit dem Widerstand R4′ und dem inver­ tierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers IC2-A′ verbunden ist. Werte für die verwendeten Widerstände können der Tabelle I entnommen werden.

Parallel zum Widerstand R2′ des ersten Spannungstei­ lers R2′, R3′ sind ein ohmscher Widerstand R12 und ein zweiter Transistorschalter geschaltet. Die Steuer­ elektrode dieses zweiten Schalttransistors T2 wird über einen ohmschen Widerstand R13 vom Ausgang des zweiten Operationsverstärkers IC2-B angesteuert. Der nichtinvertierende Eingang des zweiten Operations­ verstärkers IC2-B ist über einen ohmschen Widerstand R14 zum Ausgang des zweiten Operationsverstärkers IC2-B rückgekoppelt. Zwischen dem Abgriff C′ des ersten Spannungsteilers R2′, R3′ und dem ohmschen Widerstand R12 befindet sich ein Verzweigungspunkt G, der zum nichtinvertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers IC2-A′ geführt ist.

R1′|0,22 Ω
R2′	300 Ω
R3′	120 kΩ
R4′	15 kΩ
R5′	56 kΩ
R6	1,5 kΩ
R7	300 kΩ
R8	47 kΩ
R9	86 kΩ
R10	1 kΩ
R11	18 kΩ
R12	100 kΩ
R13	47 kΩ
R14	1 MΩ
T1	BC 327-25
T2	BC 337-25
C1′	100 nF
C2′	22 nF
IC2-A′	LM 358
IC2-B	LM 358

Die Funktionsweise dieses zweiten Ausführungsbeispiels stimmt im Prinzip mit der des ersten Ausführungs­ beispiels überein. Allerdings ermöglicht die Erwei­ terung des Schaltungsteils ADD um einen weiteren Operationsverstärker IC2-B eine Arbeitspunktum­ schaltung in Abhängigkeit der Lampenbrennspannung. Bei geringem Spannungsabfall über dem Widerstand R6 sperren die Transistoren T1 und T2 und der Schal­ tungsteil ADD dieses zweiten Ausführungsbeispiels - arbeitet exakt so wie der des ersten Ausführungs­ beispiels. Erreicht allerdings der Spannungsabfall am Widerstand R6 des zweiten Spannungsteilers einen kritischen Wert, so werden die beiden Transistor­ schalter T1 und T2 vom Ausgangssignal des zweiten Operationsverstärkers IC2-B geschlossen. Dadurch werden dem Widerstand R11 der Widerstand R9 und dem Widerstand R2′ der Widerstand R12 parallel geschaltet. Die daraus resultierende geänderte Aufteilung der Spannungsabfälle an den Widerständen R9, R10, R11 verändert das Referenzsignal am invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers IC2-A′ und bewirkt zusammen mit dem durch den Parallelwiderstand R12 veränderten Spannungsabfall am Widerstand R2′ eine Arbeitspunktumschaltung der Schaltungsanordnung. Der Umschaltpunkt wird durch die zur Entladungslampe L parallel geschalteten Widerstände R6 und R7 sowie durch die zweite Referenzspannung U2 am invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers IC2-B defi­ niert.

Die Fig. 4 zeigt den Schaltungsteil ADD nach einem dritten Ausführungsbeispiel zusammen mit dem Ausgangs­ kondensator CA des Schaltnetzteils SNT und mit einer 170 W - Hochdruckentladungslampe L. Parallel zum Ausgangskondensator CA und parallel zur Entladungs­ lampe L ist ein Spannungsteiler R2′′, R3′′, R3′′′ geschaltet, der aus den ohmschen Widerständen R2′′ R3′′, R3′′′ besteht. Eine Reihenschaltung aus einer temperaturkompensierten Zenerdiode DZ mit einem ohm­ schen Widerstand R15 ist parallel zu den Wider­ ständen R2′′ und R3′′ des Spannungsteilers geschaltet. Dadurch werden weitere Verzweigungspunkte A′′ und D′′ definiert. Der Verzweigungspunkt A′′ liegt auf Erdpotential und ist mit dem Ausgangskondensator CA, der Zenerdiode DZ und über einen ohmschen Wider­ stand R1′′ mit einem Verzweigungspunkt B′′ verbun­ den, der seinerseits Verbindungen zur Entladungs­ lampe L und zum Widerstand R2′′ aufweist. Der Ab­ griffspunkt C′′ des Spannungsteilers R2′′, R3′′ ist über einen parallelgeschalteten Kondensator C1′′ mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Operations­ verstärkers IC2-A′′ verbunden. Dabei bilden der ohmsche Widerstand R2′′ und der Kondensator C1′′ ein RC-Tiefpaßfilter, daß hochfrequente Störsignale unterdrückt.

Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers IC2-A′′ ist über einen ohmschen Widerstand R4′′ an einen Pol U1′′ einer Referenzspannungsquelle angeschlossen. Außerdem sind der Ausgang und der invertierende Eingang des Operationsverstärkers IC2-A′′ mittels eines RC-Gliedes, das aus dem ohmschen Widerstand R5′′ und dem Kondensator C2′′ besteht, rückgekoppelt. Tabelle II enthält Zahlenwerte für die verwendeten Bauelemente für den Betrieb einer 170 W - Hochdruckentladungslampe.

R1′′|0,11 Ω
R2′′	2,7 kΩ
R3′′	390 kΩ
R3′′′	510 kΩ
R4′′	15 kΩ
R5′′	56 kΩ
R15	680 kΩ
C1′′	100 nF
C2′′	22 nF
DZ	ZTK 33 C
IC2-A′′	LM 358

Das Funktionsprinzip dieser Schaltungsanordnung stimmt wieder im wesentlichen mit dem des ersten Ausführungs­ beispiels überein. Der ohmsche Widerstand R1′′ wird, da die Widerstände R3′′, R3′′′ relativ groß sind, nahezu vom gesamten Lampenstrom durchflossen und erzeugt daher einen zum Lampenstrom proportionalen Spannungsabfall. Der ohmsche Widerstand R2′′ erzeugt einen Spannungsabfall, der proportional zur Lampen­ brennspannung ist. Da der Verzweigungspunkt A′′ auf Erdpotential liegt, addieren sich die Spannungsabfälle an Widerständen R1′′ und R2′′ am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers zu einer Gesamt­ spannung Up′′, die mit der Referenzspannung U1′′ am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC2-A′′ verglichen wird. Vom Ausgang des Operations­ verstärkers IC2-A′′ gelangt das verstärkte Differenz­ signal zur Steuerschaltung ST, die das Schaltnetzteil SNT taktet. Im Arbeitspunkt der Schaltung, der durch die Wahl des Widerstandes R2′′ und der Referenz­ spannung U1′′ festgelegt wird, entspricht die Gesamt­ spannung Up′′ der Lampenleistung. Die Gesamtspannung Up′′ kann daher zur Leistungsregelung der Entladungs­ lampe verwendet werden.

Beim Überschreiten der Durchbruchsspannung wird die Zenerdiode DZ leitend und schaltet den Widerstand R15 parallel zu den Widerständen R2′′ und R3′′. Dadurch wird das Potential im Verzweigungspunkt C′′ und damit das Signal am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC2-A′′ derart manipuliert, daß eine Regelung der Lampe L auf konstante Leistung auch zu höherer Lampenbrennspannung hin noch möglich ist.

Claims (11)

1. Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Entladungs­ lampe (L) bestehend aus

• - einem Schaltnetzteil (SNT) zum Umwandeln einer in definierten Grenzen festgelegten Gleichspannung in eine variable Gleichspannung mit großem Arbeitsbe­ reich
• - einer Steuerschaltung (ST) zum Takten des Schalt­ netzteils (SNT)
• - eventuell einem Wechselrichter (WR) zum Erzeugen ei­ ner Wechselspannung
• - einem Zündgerät (ZG) zum Zünden der Entladungslampe (L),

dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung einen Schaltungsteil ADD zur Erfassung der Änderung der momentanen Lampenleistung enthält, wobei dieser Schaltungsteil ADD dafür sorgt, daß ein erster Span­ nungsabfall, der sich additiv aus einem zum momentanen Lampenstrom proportionalen Spannungsabfall und aus ei­ nem zur momentanen Lampenbrennspannung proportionalen Spannungsabfall zusammensetzt, mit einer ersten Refe­ renzspannung verglichen wird und ein der Differenz von erstem Spannungsabfall und erster Referenzspannung entsprechendes Steuersignal gebildet wird, das von einem Ausgang des Schaltungsteils ADD auf einen Eingang der Steuerschaltung (ST) gegeben wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schaltungsteil (ADD) zumindest einen ersten Spannungsteiler (R2, R3; R2′, R3′; R2′′, R3′′), der parallel zur Entladungslampe (L) geschaltet ist, sowie einen Strommeßwiderstand (R1; R1′; R1′′) der als Sensor für Änderungen des Lampenstromes dient, und mindestens einen ersten Operationsverstärker (IC2-A; IC2-A′; IC2-A′′) enthält, der den ersten Spannungsabfall mit der ersten Referenzspannung vergleicht und an seinem Ausgang ein dem Differenz­ signal entsprechendes Steuersignal für die Steuer­ schaltung (ST) liefert.

3. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltungsteil (ADD) zumindest einen weiteren Operationsverstärker (IC2-B) und einen weiteren Spannungsteiler (R6, R7), der parallel zur Entladungslampe (L) geschaltet ist, und zusätzlich mindestens einen Halbleiterschalter (T1) besitzt.

4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltungsteil (ADD) mindestens einen passiven Halbleiterschalter (DZ) enthält, der parallel zur Entladungslampe (L) und parallel zum ersten Spannungsteiler (R2′′, R3′′) ge­ schaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers (IC2-A; IC2-A′; IC2-A′′) über ein RC-Glied mit dem Ausgang des ersten Operations­ verstärkers (IC2-A; IC2-A′; IC2-A′′) rückgekoppelt ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vor dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers (IC2-A; IC2-A′ IC2-A′′) ein Tiefpaßfilter (R2, C1; R2′, C1′; R2′′, C1′′) zur Unterdrückung hochfrequenter Störsignale geschaltet ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Tiefpaßfilter (R2, C1; R2, C1′; R2′′, C1′′) ein RC-Tiefpaß ist, wobei dessen ohmscher Widerstand auch Bestandteil des ersten Spannungstei­ lers (R2, R3; R2′, R3′; R2′′, R3′′) ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Operationsverstärker (IC2-B) als Komparator verschaltet ist, dessen Ausgangssignal zwei aktive Halbleiterschalter (T1, T2) steuert, wobei einer dieser aktiven Halbleiterschalter (T2) parallel zu einem ohmschen Widerstand (R2′) des ersten Spannungsteilers (R2′, R3′) geschaltet ist und ein anderer dieser aktiven Halbleiterschalter (T1) mit dem invertierenden Eingang des ersten Operations­ verstärkers (IC2-A′) vernetzt ist, und wobei der nichtinvertierende Eingang des zweiten Operations­ verstärkers (IC2-B) mit dem zweiten Spannungsteiler (R6, R7) verbunden ist und am invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers (IC2-B) eine zweite Referenzspannung anliegt, so daß eine Arbeitspunkt­ umschaltung des Schaltungsteils (ADD) in Abhängigkeit von der momentanen Lampenbrennspannung bewirkt wird.

9. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtinvertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers (IC2-B) über einen ohmschen Widerstand (R14) mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (IC2-B) rückgekoppelt ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der passive Halbleiterschalter (DZ) eine temperaturkompensierte Zenerdiode ist.