DE4222633C2

DE4222633C2 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Wechselspannung zum Betrieb von Leuchtstofflampen

Info

Publication number: DE4222633C2
Application number: DE19924222633
Authority: DE
Inventors: Guenter Hahlgans; Ulrich Roskoni; Walter Kares
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-07-10
Filing date: 1992-07-10
Publication date: 1998-03-19
Anticipated expiration: 2012-07-11
Also published as: DE4222633A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Wechselspannung zum Betrieb von Leuchtstofflampen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Um Leuchtstofflampen aus einer Gleichspannungsquelle zu betreiben, ist die Erzeugung einer Wechselspannung erforderlich. Durch eine Leistungsregelung der Leuchtstofflampe kann jedoch die Stromaufnahme stark schwanken, so daß bei üblichen Wechselspannungsgeneratoren die Betriebsspannung der Leuchtstofflampe ebenfalls stark schwankt. Dadurch gerät die Leuchtstofflampe in Betriebszustände, die entweder eine vorzeitige Alterung der Leuchtstofflampe oder einen instabilen Betrieb zur Folge haben.

Eine gattungsbildende Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Wechselspan nung zum Betrieb einer Leuchtstofflampe ist aus der US-PS 45 35 399 bekannt. Diese Schaltungsanordnung enthält einen Kondensator und eine Induktivität, die einen auf die Frequenz der Wechselspannung abgestimmten Reihenresonanzkreis bilden. Dabei ist der Kondensator mit einem Pol der Gleichspannungsquelle verbun den, während die Induktivität abwechselnd mit steuerbarem Tastverhältnis mit dem einen oder mit anderen Pol der Gleichspannungsquelle verbindbar ist. Die Wech selspannung ist vom Kondensator abnehmbar. Die Amplitude der Wechselspannung wird mit Hilfe eines Reglers zur Steuerung des Tastverhältnisses geregelt.

Nachteilig wirkt sich hierbei aus, daß der Regler nicht ausreichend schnell genug auf Abweichungen zwischen Soll- und Istwert reagiert.

Erfindungsgemäß wird ein Istwertsignal, welches sehr schnell dem Scheitelwert der Wechselspannung folgt, dadurch erzeugt, daß der Regler eine Amplitudenmeßein richtung aufweist, welche einen auf den Scheitelwert der Wechselspannung auflad baren Kondensator enthält, der vor dem Erreichen des folgenden Scheitelwertes entladen wird.

Aufgrund dieser Anordnung kann innerhalb jeder Periode der Wechselspannung ein Amplitudenwert gemessen werden. Vorteilhaft hierbei ist weiterhin, daß das Ergebnis des Vergleichs zwischen dem Istwert und dem Vergleichsimpuls nicht von Phasen schwankungen zwischen dem Vergleichsimpuls und der Wechselspannung beein trächtigt wird.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß zur Erzeugung eines Rechteck signals mit steuerbarem Tastverhältnis ein Komparator vorgesehen ist, welchem einerseits die Ausgangsspannung (Meßsignal) einer Amplitudenmeßeinrichtung und andererseits aus der Wechselspannung abgeleitete Vergleichsimpulse zuführbar sind. Dadurch bildet die Regelschleife gleichzeitig eine Mitkopplung, so daß die Schaltungsanordnung ohne eine besondere Oszillatorschaltung schwingfähig ist.

Durch eine besondere Ausgestaltung dieser Weiterbildung, die darin besteht, daß die Vergleichsimpulse symmetrisch sind mit einer Spitze, welche zeitlich im wesent lichen beim Nulldurchgang der Wechselspannung liegt, wird die zur Mitkopplung er forderliche Phasenbeziehung durch den Regelvorgang als solchen nicht beeinflußt.

Je nachdem, ob eine lineare oder eine nichtlineare Regelkennlinie im Einzelfall vor teilhafter ist, kann ferner vorgesehen sein, daß die Vergleichsimpulse dreieckförmig sind oder daß der Verlauf der Flanken der Vergleichsimpulse derart gewählt ist, daß eine Kompensation von Nichtlinearitäten erfolgt. Insbesondere kann die Steilheit der Impulsflanken in der Nähe der Mitte der Vergleichsimpulse am größten sein und nach außen geringer werden.

Eine andere Ausgestaltung ermöglicht eine vorteilhafte Erzeugung des Vergleichs impulses dadurch, daß zur Erzeugung der Vergleichsimpulse eine erste Rechteck spannung erzeugt wird, welche gegenüber der Wechselspannung um 90° phasen verschoben ist, daß eine zweite Rechteckspannung erzeugt wird, deren Flanken mit den Nulldurchgängen der Wechselspannung übereinstimmen, daß die erste und die zweite Rechteckspannung logisch derart verknüpft werden, daß Rechteckimpulse entstehen, deren Rückflanken mit einem ausgewählten Nulldurchgang der Wech selspannung übereinstimmen und daß die Reckteckimpulse integriert werden. Dabei kann vorgesehen sein, daß nach der Integration eine nichtlineare Verzerrung des integrierten Impulses stattfindet.

Um schnelle Laständerungen auszugleichen, ist der Regler bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung als Proportionalregler ausgebildet. Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann jedoch zusätzlich ein Integralanteil vorgesehen sein.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Drei davon sind schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 Zeitdiagramme verschiedener bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 auftretender Spannungen und Signale,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 4 Zeitdiagramme verschiedener bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 auftretender Spannungen und Signale,

Fig. 5 ein Diagramm über den Zusammenhang zwischen dem Lastwiderstand und dem Tastverhältnis bei dem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 ein Diagramm über den Zusammenhang zwischen dem Lastwiderstand und dem Übertragungsmaß bei dem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 7 ein Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels und

Fig. 8 Zeitdiagramme verschiedener bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 7 auftretender Spannungen und Signale.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bilden ein Kondensator 1 und eine Induktivität 2 einen Reihenschwingkreis, der auf die Frequenz der Wechselspannung abgestimmt ist. Der Kondensator ist mit Massepotential verbunden, während die Induktivität 2 über je einen steuerbaren Schalter 3, 4 abwechselnd mit Masse oder mit einem Anschluß 5 für eine zugeführte Gleichspannung verbindbar ist. Die zugeführte Gleichspannung ist beispielsweise die Spannung einer Batterie eines Kraftfahrzeugs. Die steuerbaren Schalter 3, 4 können durch Leistungsfeldeffekttransistoren realisiert werden und werden im Gegentakt von zwei Treibern 6, 7 angesteuert, wobei der Treiber 7 das zugeführte Rechtecksignal invertiert.

Die Spannung am Kondensator 1 kann als Betriebsspannung für eine oder mehrere Leuchtstofflampen entnommen werden, welche der Einfachheit halber in Fig. 1 als Lastwiderstand 8 dargestellt ist. Unter der Voraussetzung einer ausreichend hohen Güte, also einer genügend geringen Last ist die Wechselspannung U_c am Kondensator 1 sinusförmig - weitgehend unabhängig von dem Tastverhältnis des den Treibern 6, 7 zugeführten Impulses. Ihre Amplitude ist jedoch stark von der Güte des Schwingkreises, also stark von der Höhe der Last 8 abhängig. Diese Abhängigkeit macht sich insbesondere durch eine stark schwankende Stromaufnahme der Leuchtstofflampe bei einer Leistungsdosierung der Leuchtstofflampe bemerkbar.

Zur Einstellung des Tastverhältnisses im Sinne einer Konstanthaltung der Wechselspannung U_C wird bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ein Vergleichsimpuls mit dreieckförmigem Verlauf mit Hilfe eines Komparators 9 mit einer den Scheitelwert der Wechselspannung wiedergebenden Meßspannung verglichen. Die Meßspannung wird dadurch erzeugt, daß die Wechselspannung U_C (Fig. 2, Zeile a, durchgezogene Linie) über einen Koppelkondensator 10 und einen Spannungsteiler 11, 12 dem Eingang eines invertierenden Verstärkers 13 zugeführt wird.

Der Ausgang des invertierenden Verstärkers ist über eine Diode 14 mit einem Kondensator 15 verbunden, der sich jeweils auf den Scheitelwert auflädt. Die Spannung am Kondensator 15 stellt daher ein Maß für den Scheitelwert bzw. die Amplitude der Wechselspannung dar und wird im folgenden Meßsignal M genannt. Das Teilerverhältnis des Spannungsteilers 11, 12, die Verstärkung und der Arbeitspunkt des Verstärkers 13 sind derart gewählt, daß der Amplitudenbereich des Meßsignals M während einer geringen Änderung der Amplitude der Wechselspannung U_C durchlaufen wird.

Die durch den Spannungsteiler 11, 12 heruntergeteilte Wechselspannung wird ferner dem invertierenden Eingang eines weiteren Komparators 16 zugeleitet, an dessen Ausgang eine rechteckförmige Spannung ansteht, die bezüglich der Wechselspannung invertiert ist. Damit wird ein monostabiler Vibrator 17 getriggert, der einen kurzen Impuls an die Basis eines Transistors 18 leitet, wodurch der Kondensator 15 schnell entladen wird. Durch diese Form des Meßsignals M kann bereits während der nächsten Periode der Wechselspannung ein neuer Wert für die Amplitude gemessen werden, so daß der Regelkreis sehr schnell auf Laständerungen reagiert.

Zur Erzeugung des Vergleichsimpulses P, der in Zeile e der Fig. 2 dargestellt ist, wird die Wechselspannung U_C mit Hilfe eines RC-Gliedes 19, 20 um 90° phasenverschoben (Zeile a, gestrichelt). Daraus wird anschließend mit Hilfe eines weiteren Komparators 21 das in Zeile b dargestellte Rechtecksignal abgeleitet. Dieses wird gemeinsam mit dem Ausgangssignal des Komparators 16 (Zelle c) einer Und-Schaltung 22 zugeführt, wodurch das in Zeile d dargestellte Rechtecksignal entsteht, dessen Impulsbreite etwa einem Viertel der Periodendauer der Wechselspannung entspricht. Dieses Rechtecksignal wird einem Integrator 23 zugeführt, an dessen Ausgang der dreieckförmige Vergleichsimpuls P ansteht.

Der Komparator 9 gibt dann eine positive Spannung ab, wenn der Momentanwert des Vergleichsimpulses P größer als das Meßsignal M ist (Zeile e). Dadurch entsteht das in Zeile f dargestellte Steuersignal für die Schalter 3, 4, dessen Tastverhältnis umso größer wird, je kleiner das Meßsignal M ist.

Durch die Speicherung des Meßsignals M während eines Teils der Periodendauer der Wechselspannung (beim Ausführungsbeispiel 3/4 der Periodendauer) und durch die Ableitung des Vergleichsimpulses bei einer vorgegebenen Phasenlage wird eine Beeinflussung der Amplitudenregelung durch Phasenschwankungen ausgeschlossen. Ferner wird durch die symmetrische Gestaltung des Meßimpulses eine Phasenverschiebung durch Amplitudenschwankung verhindert. Außerdem wird eine schnelle Regelung dadurch ermöglicht, daß das Meßsignal M vor jeweils einer neuen Messung auf 0 gesetzt wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 entspricht die Mehrzahl der Bauelemente und Baugruppen demjenigen nach Fig.

1. Es unterscheidet sich jedoch bezüglich der Bildung des Vergleichsimpulses P′. Dieses wird in einem Funktionsgenerator 24 erzeugt, der im wesentlichen aus einem Integrator und einer Schaltung mit nichtlinearer Übertragungscharakteristik besteht. Wie aus Fig. 4, Zeile e entnehmbar ist, ändert sich die Impulsbreite bezogen auf absolute Änderungen des Meßsignals M, bei einem großem Meßsignal M nur wenig, während bei einem kleinen Meßsignal, also bei kleiner Wechselspannung, eine starke Änderung des Tastverhältnisses des Steuersignals S erfolgt. Hierdurch wird im unteren Bereich der Wechselspannung eine höhere Regelverstärkung erzielt. Damit wird eine Nichtlinearität der Abhängigkeit der Wechselspannung vom Wert R_L des Lastwiderstands 8 ausgeglichen. Die Abhängigkeit des Tastverhältnisses t_p/T des Steuersignals S vom Wert R_L des Lastwiderstands 8 ist in Fig. 5 dargestellt.

Fig. 6 zeigt vergleichsweise die Änderung der Wechselspannung mit der Belastung ohne eine Regelung - also lediglich mit der in Fig. 6 skizzierten Schaltung. Dazu ist das Übertragungsmaß als Funktion des Wertes R_L des Lastwiderstandes 8 aufgetragen. Bei einer Änderung des Lastwiderstandswertes zwischen 0,2 kΩ und 2,2 kΩ, was bei einer Leistungsdosierung durchaus möglich ist, ändert sich das Übertragungsmaß zwischen etwa 12% und knapp 100%. Daraus ist ersichtlich, wie vorteilhaft eine genaue und schnelle Regelung der Wechselspannung ist.

Eine vorteilhafte Dimensionierung der Spule 2 und des Kondensators 1 ergibt sich bei den in Fig. 5 und 6 angegebenen Werten.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 ist der Regler als Proportional-Integral-Regler ausgebildet. Während der Proportionalanteil entsprechend den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 3 erzeugt wird, ist für den Integralanteil ein Integrator 25 vorgesehen, welchem das Meßsignal über einen invertierenden Eingang zugeführt wird. Ferner erhält der Integrator 25 eine Referenzspannung U_R über einen weiteren Eingang 28. Die Ausgangsspannung des Integrators 25 wird mit Hilfe der Widerstände 26, 27 dem Vergleichsimpuls überlagert und dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators 9 zugeleitet. Damit wird der Gleichspannungsanteil des Vergleichsimpulses entsprechend dem Integral der Differenz des Meßsignals M zur Vergleichsspannung U_R verschoben, so daß auch ein bei einem Proportionalregler verbleibender Restfehler ausgeregelt wird. Die Referenzspannung U_R ist in Fig. 8 als waagerechte gestrichelte Linie dargestellt.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Wechselspannung zum Betrieb von Leuchtstofflampen, aufweisend einen Kondensator (1) und eine Induktivität (2), die einen auf die Frequenz der Wechselspannung abgestimmten Reihenreso nanzkreis bilden, wobei der Kondensator (1) mit einem Pol einer Gleichspan nungsquelle verbunden ist, die Induktivität (2) abwechselnd mit steuerbarem Tastverhältnis mit dem einen oder mit dem anderen Pol der Gleichspannungs quelle verbindbar ist und die Wechselspannung am Kondensator (1) abnehmbar ist, und wobei die Amplitude der Wechselspannung mit Hilfe eines Reglers (9 bis 25) durch Steuerung des Tastverhältnisses geregelt wird, dadurch gekenn zeichnet, daß der Regler (9 bis 25) eine Amplitudenmeßeinrichtung (13 bis 18) aufweist, welche einen auf den Scheitelwert der Wechselspannung aufladbaren Kondensator (15) enthält, der vor dem Erreichen des folgenden Scheitelwertes entladen wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Rechtecksignals mit steuerbarem Tastverhältnis ein Kompara tor (9) vorgesehen ist, welchem einerseits die Ausgangsspannung (Meßsignal) der Amplitudenmeßeinrichtung (13 bis 18) und andererseits aus der Wechsel spannung abgeleitete Vergleichsimpulse zuführbar sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsimpulse symmetrisch sind mit einer Spitze, welche zeitlich im wesent lichen beim Nulldurchgang der Wechselspannung liegt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsimpulse dreieckförmig sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Flanken der Vergleichsimpulse derart gewählt ist, daß eine Kompen sation von Nichtlinearitäten erfolgt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steilheit der Impulsflanken in der Nähe der Mitte der Vergleichsimpulse am größten ist und nach außen geringer wird.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine erste Vor richtung (19, 20), die eine erste Rechteckspannung erzeugt, welche gegenüber der Wechselspannung um 90° phasenverschoben ist, eine zweite Vorrichtung (16), die eine zweite Rechteckspannung erzeugt, deren Flanken mit den Nulldurchgängen der Wechselspannung übereinstimmen, eine dritte Vorrichtung (22), die die erste und die zweite Rechteckspannung logisch derart verknüpft, daß Rechteckimpulse entstehen, deren Rückflanken mit einem ausgewählten Nulldurchgang der Wechselspannung übereinstimmen und eine vierte Vorrichtung (23), die zur Erzeugung der Vergleichsimpulse die Rechteckimpulse integriert.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Funktions generator (24), der nach der Integration eine nichtlineare Verzerrung des inte grierten Impulses durchführt.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler als Proportional-Integral-Regler (9 bis 28) ausgebildet ist.