DE4222634A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Leuchtstofflampe - Google Patents

Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Leuchtstofflampe

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Description

Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Leuchtstofflampe, wobei eine Wechselspannung höherer Frequenz als Betriebsspannung und eine Rechteckspannung niedrigerer Frequenz mit einstellbarer Pulsbreite zum periodischen Sperren und Freigeben der Wechselspannung an der Leuchtstofflampe erzeugt werden.
Dieses bekannte Verfahren zum Betrieb einer Leuchtstofflampe eignet sich zur Leistungs- bzw. Helligkeitseinstellung der Leuchtstofflampe, was beispielsweise bei der Beleuchtung von Anzeigeeinrichtungen in Kraftfahrzeugen von Bedeutung ist. Dabei ist wegen der starken Schwankungen des Umlichtes, insbesondere zwischen Tag und Nacht, ein sehr großer Einstellbereich erforderlich. Bei der Einstellung von extrem geringen Beleuchtungsstärken ist die Pulsbreite der Rechteckspannung derart gering einzustellen, daß es zu Ungleichmäßigkeiten beim Betrieb der Leuchtstofflampe kommt, was sich unter anderem in einem Flackern bemerkbar macht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen großen Einstellbereich zu ermöglichen, wobei innerhalb des gesamten Einstellbereichs ein einwandfreier Betrieb der Leuchtstofflampe gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rechteckspannung durch Frequenzteilung und anschließende Pulsbreitenmodulation aus der Wechselspannung erzeugt wird. Diese erfindungsgemäße Maßnahme hat den Vorteil, daß auch bei Pulsbreiten, welche im Bereich der Periodendauer der zugeführten Wechselspannung liegen, ein stabiler Betrieb der Leuchtstofflampe möglich ist.
Beim Betrieb von Leuchtstofflampen ist ein Gleichstrom zu vermeiden. Dieses kann sowohl bei dem eingangs genannten, als auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren an sich dadurch geschehen, daß die Pulsbreite entsprechend einem Vielfachen der Perioden der Wechselspannung eingestellt wird. Dieses ist jedoch bei einer Einstellung der Pulsbreite mit analogen Schaltungen schwierig zu realisieren und führt insbesondere am unteren Ende des Einstellbereichs zu einer allzu groben Abstufung der Helligkeitseinstellung.
Die folgenden Weiterbildungen ermöglichen eine stufenlose Einstellung der Helligkeit bei gleichzeitigem gleichstromfreien Betrieb der Leuchtstofflampe. Gemäß einer ersten Weiterbildung kann dieses dadurch geschehen, daß die Frequenz der Wechselspannung und die Frequenz der Rechteckspannung in einem Verhältnis von n/2 stehen, wobei n eine ungerade Zahl ist. Eine zweite Weiterbildung besteht darin, daß bei jedem Nulldurchgang der Wechselspannung ein Impuls abgeleitet wird und daß die Frequenz der Impulse durch eine ungerade Zahl n geteilt wird.
Bei der Zündung einer Leuchtstofflampe bilden sich unter anderem Quecksilberionen, die von der Betriebsspannung (Beschleunigungsspannung) in Richtung auf die Glühelektroden beschleunigt werden, wodurch ein Alterungseffekt eintritt. Gemäß einem anderen erfindungsgemäßen Verfahren wird dieses dadurch vermieden, daß jeweils eine vorgegebene Zeit vor der Freigabe der Wechselspannung ein Zündimpuls erzeugt wird. Dadurch ist es möglich, den Beginn des Stromflusses durch die Leuchtstofflampe auf einen in bezug auf die durch die Zündung initialisierte Ionisierung günstigen Zeitpunkt zu verlegen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung dieses Verfahrens besteht darin, daß die Rechteckspannung durch Frequenzteilung und anschließende Pulsbreitenmodulation aus der Wechselspannung erzeugt wird und daß die frequenzgeteilten Impulse einerseits zur Erzeugung jeweils eines Zündimpulses einem Zündimpulsgenerator und andererseits über eine Verzögerungseinrichtung der Pulsbreitenmodulation zugeführt werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Schaltungsanordnungen zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren möglich.
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 erstes Ausführungsbeispiel mit einfacher synchroner Innenzündung,
Fig. 2 Zeitdiagramme von Strömen und Spannungen bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel mit synchroner Innenzündung,
Fig. 4 Zeitdiagramme von Spannungen und Strömen bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3,
Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel mit synchroner Innenvorzündung und
Fig. 6 Zeitdiagramme von Strömen und Spannungen bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5.
Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Fig. 1, 3 und 5 zeigen lediglich die zum Verständnis der Erfindung erforderlichen Teile. So ist beispielsweise die Erzeugung der Heizspannung für die Leuchtstofflampe mit Hilfe von weiteren Sekundärwicklungen nicht dargestellt. Ferner sind keine Einzelheiten zur Erzeugung der Wechselspannung gezeigt. Eine besonders vorteilhafte Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Wechselspannung zum Betrieb von Leuchtstofflampen ist in einer gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung mit der internen Nr. 2767 der Anmelderin näher beschrieben.
Bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen wird über Anschlüsse 1, 2 eine Wechselspannung U der Primärwicklung eines Transformators 3 zugeführt. Die Wechselspannung U gelangt ferner zu einem Nulldurchgangsdetektor 4, der bei jedem Nulldurchgang der Wechselspannung einen Impuls erzeugt. Bei einer Frequenz der Wechselspannung von 50 kHz beträgt demnach die Frequenz der Impulse UP 100 kHz. Diese Frequenz wird mit Hilfe eines Frequenzteilers 5 durch n = 1001 geteilt, so daß Impulse mit einer Frequenz von etwa 100 Hz entstehen.
Der Nulldurchgangsdetektor 4 und der Frequenzteiler 5 können mit Hilfe von an sich bekannten Schaltungen realisiert werden, beispielsweise mit einem sogenannten Fensterdiskriminator und mit einem Zähler, der beim Zählerstand von 1000 auf 0 zurückgesetzt wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist an die Sekundärwicklung des Transformators 3 über eine Spule 6, die zur Zündung und zur Strombegrenzung dient, eine Parallelschaltung der Leuchtstofflampe 7 mit einem steuerbaren Schalter 8 angeschlossen. Zur Steuerung des Schalters 8, der übrigens ein für Wechselspannung geeigneter Halbleiterschalter ist, werden die in ihrer Frequenz geteilten Impulse UP einem Pulsbreitenmodulator 9 zugeführt, dessen Ausgang mit einem Steuereingang des Schalters 8 verbunden ist. Die Pulsbreite der dem Schalter 8 zugeführten Rechteckspannung kann mit Hilfe eines Potentiometers 10 eingestellt werden, dessen Endanschlüsse mit Massepotential bzw. mit einer positiven Spannung beaufschlagt sind.
Die Funktion des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeitdiagramme in Fig. 2 erläutert. Dabei sind die Zeitachsen wegen des großen Verhältnisses zwischen der Frequenz der Wechselspannung U und der Frequenz der Rechteckspannung UPWM unterbrochen dargestellt. Außerdem zeigt Fig. 2 den Strom ILz durch die Spule 6 und die Impulse UP die dem Frequenzteiler 5 zugeführt werden. Zur Verdeutlichung der Frequenzteilung sind diese fortlaufend numeriert. Jeweils beim Impuls Nr. 1 weist die Rechteckspannung UPWM eine negative Flanke auf, wodurch der Schalter 8 in den nichtleitenden Zustand gerät. Durch die Unterbrechung des Stroms ILz wird die Leuchtstofflampe 7 gezündet und brennt während der Zeit tp bis zur aufsteigenden Flanke der Rechteckspannung UPWM; die bei dem dargestellten Zustand etwas nach dem Impuls Nr. 3 liegt. Auf den Impuls Nr. 1001 folgt wiederum ein Impuls Nr. 1, bei dem die Leuchtstofflampe 7 wieder gezündet wird. Bei dem dargestellten Zustand fließt also nur während eines geringen Teils der Periodendauer der Rechteckspannung Strom, die Helligkeit der Leuchtstofflampe ist also sehr klein eingestellt.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß wegen des ungeradzahligen Teilerverhältnisses die Leuchtstofflampe 7 abwechselnd zu Beginn einer negativen und zu Beginn einer positiven Halbwelle der Spannung U gezündet wird. Das Abschalten durch Schließen des Schalters 8 kann kontinuierlich verstellt werden, so daß während der Dauer eines jeden Rechteckimpulses zwar die Leuchtstofflampe mit einer Gleichstromkomponente belastet wird, diese sich jedoch bei zwei aufeinanderfolgenden Rechteckimpulsen aufhebt, was in Fig. 2 durch die entgegengesetzte Polarität der schraffierten Flächen angedeutet ist. Damit wird insgesamt die Gleichstrombelastung der Leuchtstofflampe 7 zu null.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 erfolgt die Zündung durch einen Zündimpulsgenerator 11 und einen Zündtransformator 12, dessen Sekundärwicklung in Reihe mit der Leuchtstofflampe 7 geschaltet ist. Die transformierte Wechselspannung wird über einen Kondensator 13 zugeführt. Jeweils bei einer Vorderflanke der frequenzgeteilten Impulse UPdiv wird vom Zündimpulsgenerator 11 ein Zündimpuls erzeugt, der im Zündtransformator 12 auf die erforderliche Spannung heraufgesetzt wird. Unmittelbar mit der Zündung erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 das Öffnen des Schalters, wodurch ein Strom ILA durch die Leuchtstofflampe zu fließen beginnt.
Da die Leuchtstofflampe durch die Zündung noch nicht vollständig ionisiert ist, steigt der Strom ILA zunächst an (Fig. 4, I). Bei dem dargestellten Zustand wird jedoch der Schalter 8 nach etwas mehr als fünf Perioden der Impulsspannung UP wieder geschlossen, wodurch der Strom ILA durch die Leuchtstofflampe 7 unterbrochen wird. Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird auch hier abwechselnd mit einem negativen und einem positiven Nulldurchgang gezündet und der Leuchtstofflampe Spannung zugeführt, so daß sich etwa vorhandene Gleichstromkomponenten innerhalb zweier Rechteckimpulse aufheben.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 enthält zusätzlich zu den Teilen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 eine Verzögerungseinrichtung 14, mit welcher die frequenzgeteilten Impulse UPdiv verzögert werden. Diese Verzögerung δt ist in Fig. 6 dargestellt und beträgt vorzugsweise einige Perioden des Rechtecksignals UP. Während die unverzögerten Impulse UPdiv über den Zündimpulsgenerator 11 die Zündimpulse auslösen, führen die verzögerten Impulse zum Öffnen des Schalters 8. Dadurch wird erreicht, daß im Zeitraum unmittelbar nach der Zündung der Leuchtstofflampe noch keine Wechselspannung anliegt, wodurch eine Neutralisierung der schweren Quecksilberionen möglich ist, bevor ein Stromfluß durch die Leuchtstofflampe beginnt. Dieses erhöht die Lebensdauer der Leuchtstofflampe ganz erheblich.
Die Verzögerungseinrichtung 14 kann in vorteilhafter Weise durch eine digitale Baugruppe verwirklicht werden, beispielsweise ein Schieberegister, das mit den Impulsen UPdiv gesetzt und mit den Impulsen UP getaktet wird. Damit ergibt sich als Verzögerung eine ganze Zahl von Perioden des Signals UP wodurch eine feste Phasenbeziehung zwischen der Wechselspannung U und dem Öffnen des Schalters 8 sichergestellt ist.

Claims (10)

1. Verfahren zum Betrieb einer Leuchtstofflampe, wobei eine Wechselspannung höherer Frequenz als Betriebsspannung und eine Rechteckspannung niedrigerer Frequenz mit einstellbarer Pulsbreite zum periodischen Sperren und Freigeben der Wechselspannung an der Leuchtstofflampe erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechteckspannung durch Frequenzteilung und anschließende Pulsbreitenmodulation aus der Wechselspannung erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Wechselspannung und die Frequenz der Rechteckspannung in einem Verhältnis von n/2 stehen, wobei n eine ungerade Zahl ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Nulldurchgang der Wechselspannung ein Impuls abgeleitet wird und daß die Frequenz der Impulse durch eine ungerade Zahl n geteilt wird.
4. Verfahren zum Betrieb einer Leuchtstofflampe, wobei eine Wechselspannung höherer Frequenz als Betriebsspannung und eine Rechteckspannung niedrigerer Frequenz mit einstellbarer Pulsbreite zum periodischen Sperren und Freigeben der Wechselspannung an der Leuchtstofflampe erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine vorgegebene Zeit vor der Freigabe der Wechselspannung ein Zündimpuls erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechteckspannung durch Frequenzteilung und anschließende Pulsbreitenmodulation aus der Wechselspannung erzeugt wird und daß die frequenzgeteilten Impulse einerseits zur Erzeugung jeweils eines Zündimpulses einem Zündimpulsgenerator und andererseits über eine Verzögerungseinrichtung der Pulsbreitenmodulation zugeführt werden.
6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transformator (3) primärseitig mit der Wechselspannung beaufschlagt ist und daß an den Transformator sekundärseitig über eine Spule (6) eine Parallelschaltung aus der Leuchtstofflampe (7) und einem mit der Rechteckspannung steuerbaren Schalter (8) angeschlossen ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nulldurchgangsdetektor (4) mit der Wechselspannung beaufschlagbar ist, dessen Ausgangsimpulse einem Frequenzteiler (5) zuführbar sind, und daß ein Ausgang des Frequenzteilers (5) mit einem Eingang eines Pulsbreitenmodulators (9) verbunden ist.
8. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transformator (3) primärseitig mit der Wechselspannung beaufschlagbar ist und daß der Transformator (3) sekundärseitig über einen Kondensator (13) mit einer Parallelschaltung aus der Leuchtstofflampe (7) und einem mit der Rechteckspannung steuerbaren Schalter (8) verbunden ist, wobei in den Stromkreis der Leuchtstofflampe (7) die Sekundärspule eines Zündtransformators (12) geschaltet ist, dessen Primärspule mit dem Ausgang eines Zündimpulsgenerators (11) verbunden ist.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nulldurchgangsdetektor (4) mit der Wechselspannung beaufschlagbar ist, dessen Ausgangsimpulse einem Frequenzteiler (5) zuführbar sind, und daß ein Ausgang des Frequenzteilers (5) einerseits mit dem Eingang des Zündimpulsgenerators (11) und andererseits mit einem Eingang eines Pulsbreitenmodulators (9) verbunden ist.
10. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transformator (3) primärseitig mit der Wechselspannung beaufschlagbar ist, daß der Transformator (3) sekundärseitig über einen Kondensator (13) mit einer Parallelschaltung aus der Leuchtstofflampe (7) und einem mit der Rechteckspannung steuerbaren Schalter (8) verbunden ist, wobei in den Stromkreis der Leuchtstofflampe (7) die Sekundärspule eines Zündtransformators (12) geschaltet ist, dessen Primärspule mit dem Ausgang eines Zündimpulsgenerators (11) verbunden ist, daß ein Nulldurchgangsdetektor (4) mit der Wechselspannung beaufschlagbar ist, dessen Ausgangsimpulse einem Frequenzteiler (5) zuführbar sind, und daß ein Ausgang des Frequenzteilers (5) einerseits mit dem Eingang des Zündimpulsgenerators (11) und andererseits über eine Verzögerungseinrichtung (14) mit einem Eingang eines Pulsbreitenmodulators (9) verbunden ist.
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