DE4301184A1 - Control unit for electrical discharge lamps - Google Patents

Control unit for electrical discharge lamps

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    • H05B41/2928—Arrangements for protecting lamps or circuits against abnormal operating conditions for protecting the lamp against abnormal operating conditions

Abstract

The control unit uses rectified mains supply (1) fed to a regulator (2) to generate an accurate and steady voltage to supply a l.f. switching inverter (3) supplying the lamp (4). The system elements are controlled by a unit (5) that contains a pulse width modulator (6) that controls the switching of the d.c. regulator (2) dependent upon the measured inverter current. The pulse width modulator is supplied by a voltage controlled oscillator (7) with a sawtooth wobble frequency (8) providing operation between 19 and 29 kHz.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuergerät für wenigstens eine Ent­ ladungslampe mit einem an eine Gleichspannungsquelle angeschlos­ senen Wechselrichter zum niederfrequenten Ändern der Stromfluß­ richtung durch die Entladungslampe und mit einem Stromsteller, der an einen Stromsensor angeschlossen ist und mit einer durch einen Oszillator eingestellten Hochfrequenz den durch eine In­ duktivität und die Entladungslampe fließenden Strom ein- und ausschaltet und durch Regelung der Impulsbreite den resultieren­ den Strom konstant hält.The invention relates to a control device for at least one Ent Charge lamp with a connected to a DC voltage source its inverter for low-frequency changing of the current flow direction through the discharge lamp and with a current regulator, which is connected to a current sensor and with a through an oscillator high frequency set by an In ductivity and the discharge lamp flowing current in and switches off and the result by regulating the pulse width keeps the current constant.

Ein Steuergerät dieser Art ist in GB 2 016 222 B offenbart. Der Wechselrichter besteht aus vier Transistorschaltern in einer Brückenanordnung, in deren Diagonalzweig die Entladungslampe liegt. Der Strom zum Wechselrichter fließt durch eine Induktivi­ tät und einen Serienwiderstand hindurch, der als Stromsensor dient, in dem die über ihm abfallende Spannung abgenommen wird. In Serie mit der Induktivität liegt ein weiterer Transistor­ schalter, der als Stromsteller fungiert. Dieser schaltet den Strom hochfrequent ein und aus. Die jeweilige Einschaltdauer, also die Impulsbreite, wird abhängig von der über dem Widerstand abfallenden Spannung eingestellt, so daß sich eine Konstant­ stromregelung ergibt. Die verwendete Schaltfrequenz des Strom­ stellers liegt bei etwa 25 kHz. Nach dem gleichen Prinzip arbei­ tende Schaltungen sind in EP 0 075 382, B1, EP 0 243 948 B1 und DE 39 25 654 C2 beschrieben. Alle offenbarten Steuergeräte sind in die Praxis umgesetzt worden und arbeiten mit einer Umschalt­ frequenz des Wechselrichters von 50 Hz und einer Schaltfrequenz der Pulsbreitenmodulation des Stromstellers, die im Bereich 20 bis 25 kHz liegt.A control device of this type is disclosed in GB 2 016 222 B. Of the Inverter consists of four transistor switches in one Bridge arrangement, in the diagonal branch of which the discharge lamp lies. The current to the inverter flows through an inductor and a series resistor through it, which acts as a current sensor serves in which the voltage drop across it is removed. Another transistor is in series with the inductance switch that acts as a current regulator. This switches the High frequency electricity on and off. The respective duty cycle, So the pulse width depends on the one above the resistance falling voltage set so that there is a constant current regulation results. The switching frequency of the current used stellers is around 25 kHz. Work on the same principle Ending circuits are in EP 0 075 382, B1, EP 0 243 948 B1 and  DE 39 25 654 C2 described. All control units disclosed are have been put into practice and work with a toggle frequency of the inverter of 50 Hz and a switching frequency the pulse width modulation of the current controller, which is in the range 20 up to 25 kHz.

Beim Betrieb von Entladungslampen mit derartigen Steuergeräten zeigt sich gelegentlich - oft erst nach vielen Betriebsstunden - trotz der Regelung durch den Stromsteller eine niederfrequente Instabilität der Lichtabgabe und des Stromflusses durch die Entladungslampe. Es ist vergeblich versucht worden, diese In­ stabilitäten durch eine verbesserte Regelung zu beseitigen.When operating discharge lamps with such control devices shows up occasionally - often only after many hours of operation - despite the regulation by the current controller a low frequency Instability of light output and current flow through the Discharge lamp. No attempt has been made to do so to eliminate stabilities through improved regulation.

Ausgehend von der Problemstellung, einen Betrieb einer Entla­ dungslampe mit einem Steuergerät der eingangs erwähnten Art auch über eine längere Betriebszeit störungsfrei zu ermöglichen, ist das erfindungsgemäße Steuergerät der genannten Art dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Oszillator für die Hochfrequenz durch ein Steuersignal in seiner Hochfrequenz im Betrieb veränderbar ist.Based on the problem, an operation of a discharge also with a control device of the type mentioned to enable trouble-free operation over a longer period of time the control device of the type mentioned ge thereby indicates that the oscillator for the high frequency by a Control signal in its high frequency is changeable during operation.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß - entgegen der bisherigen Annahmen - die Instabilitäten nicht auf eine Alterung von Bauelementen oder auf die nicht ausreichende Regelschaltung für den Stromsteller zurückzuführen ist, sondern auf Resonanz­ erscheinungen. Es ist an sich bekannt, daß Hochdruckentladungs­ lampen, die mit einem hochfrequent schaltenden Wechselrichter betrieben werden, akustische Resonanzen des Entladungsbogens im Lampenkolben zeigen. Unter anderem aus diesem Grund wird bei dem Steuergerät der eingangs erwähnten Art ein niederfrequenter Wechselrichter eingesetzt, da bei den niedrigen Frequenzen die bekannten Resonanzen nicht auftreten.The invention is based on the knowledge that - contrary to previous assumptions - the instabilities are not due to aging of components or on the insufficient control circuit for the current controller, but due to resonance appearances. It is known per se that high pressure discharge lamps with a high-frequency switching inverter operated, acoustic resonances of the discharge arc in the Show lamp bulb. This is one of the reasons why Control device of the type mentioned in the introduction a low-frequency Inverters used because at low frequencies known resonances do not occur.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß überraschender­ weise die hohe Frequenz des Stromstellers, die ja nur einen ganz geringen Amplitudenrippel zur Stromkonstanthaltung verursacht, ausreicht, um Resonanzeffekte in der Entladungslampe zu erzeu­ gen, die zu sichtbaren Instabilitäten des abgestrahlten Lichts führen. Auf der Basis dieser Erkenntnis wird beim erfindungs­ gemäßen Steuergerät eine Veränderung der Hochfrequenz des Oszil­ lators des Stromstellers vorgesehen, um dem Resonanzproblem zu entgehen.The invention is based on the finding that it is more surprising show the high frequency of the current controller, which is only one low amplitude ripple to keep current constant, is sufficient to produce resonance effects in the discharge lamp gene, the visible instabilities of the emitted light  to lead. On the basis of this knowledge, the invention control unit according to a change in the high frequency of the Oszil lators of the current controller provided to the resonance problem escape.

An sich wäre es denkbar, für jede Entladungslampe eine Resonanz­ frequenz festzustellen und die Hochfrequenz davon verschieden einzustellen. Es zeigt sich jedoch, daß sich die Resonanzfre­ quenz mit der Betriebsdauer der Entladungslampe ändert, so daß das Phänomen auftritt, das eine anfangs einwandfrei abstrahlende Entladungslampe erst nach einer gewissen Betriebsdauer instabil wird, weil sich nun die Resonanzfrequenz so verändert hat, daß sie in den Bereich der im Stromsteller verwendeten Hochfrequenz gewandert ist.As such, it would be conceivable to have a resonance for each discharge lamp determine frequency and the radio frequency different from it adjust. However, it turns out that the resonance fre frequency changes with the operating time of the discharge lamp, so that the phenomenon occurs that is an initially perfectly radiating Discharge lamp only becomes unstable after a certain operating time because the resonance frequency has changed so that they in the range of the high frequency used in the power controller hiked.

Für die Veränderung der Frequenz des Oszillators des Stromstel­ lers ist es in einer ersten Ausführungsform möglich, die Insta­ bilitäten der Entladungslampe optisch oder elektrisch zu detek­ tieren und beim Auftreten eines Detektionssignals das Steuer­ signal für den Oszillator so lange zu verändern, bis die Insta­ bilitäten wieder verschwinden. Eine derartige Regelung ist er­ sichtlich geeignet, den Stromsteller immer auf eine Hochfrequenz einzustellen, die von der (sich ändernden) Resonanzfrequenz der Entladungslampe verschieden ist.For changing the frequency of the current oscillator It is also possible in a first embodiment to use the insta bilities of the discharge lamp optically or electrically to detec animals and the control when a detection signal occurs signal for the oscillator to change until the Insta bilities disappear again. He is such a regulation Visibly suitable, the current controller always on a high frequency set by the (changing) resonance frequency of the Discharge lamp is different.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Hoch­ frequenz des Stromstellers mit einer niederfrequenten Wobbel­ frequenz über einen mehrere Kilohertz breiten Frequenzbereich verändert, wobei jeweils ein Resonanzbereich der Entladungslampe durchlaufen wird. Diese Ausführungsform der Erfindung nutzt die Tatsache aus, daß bei einem kurzzeitigen Durchlaufen der Reso­ nanzfrequenz keine merklichen Instabilitäten des abgegebenen Lichts auftreten. Wenn ein relativ großer Frequenzbereich, bei­ spielsweise zwischen 19 und 29 kHz, regelmäßig mit einer nieder­ frequenten Wobbelfrequenz, beispielsweise von 100 Hz durchlaufen wird, wird immer auch der Resonanzbereich überfahren, wobei egal ist, an welcher Stelle des durchlaufenen Frequenzbereichs sich die Resonanzfrequenz gerade befindet. Die Änderung der Resonanz­ frequenz hat daher auf die Funktion der Lichtabgabe durch die mit dem Steuergerät gesteuerte Entladungslampe keine Auswirkung. Wird der überfahrene Frequenzbereich daher so gewählt, daß eine Resonanzfrequenz in diesem Frequenzbereich immer vorhanden ist, in diesen Frequenzbereich aber keine zweite Resonanzfrequenz hineinwandern kann, wird der angestrebte Effekt, Auswirkungen einer sich ändernden Resonanzfrequenz mit Sicherheit zu verhin­ dern, erreicht.In another embodiment of the invention, the high frequency of the current controller with a low-frequency wobble frequency over a frequency range spanning several kilohertz changed, each with a resonance range of the discharge lamp is going through. This embodiment of the invention uses the The fact that if the Reso frequency no noticeable instabilities of the delivered Light occur. If a relatively large frequency range, at for example between 19 and 29 kHz, regularly with a low frequency sweep frequency, for example of 100 Hz the resonance range is always exceeded, regardless is at which point of the frequency range passed  the resonance frequency is just. The change in resonance frequency therefore has on the function of light emission by the discharge lamp controlled by the control unit has no effect. If the frequency range is therefore chosen so that a Resonance frequency is always present in this frequency range, but no second resonance frequency in this frequency range can migrate into it, the desired effect becomes impact to prevent a changing resonance frequency with certainty other achieved.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:The invention will now be described with reference to two in the drawing illustrated embodiments are explained in more detail. It demonstrate:

Fig. 1 ein Funktionsschaltbild eines erfindungsgemäßen Steuergeräts mit einer gewobbelten Hochfrequenz, Fig. 1 is a functional diagram of a control device of the invention with a swept radio frequency,

Fig. 2 eine Darstellung gemäß Fig. 1 für eine geregelte Erzeugung der Hochfrequenz des Stromstellers. Fig. 2 is an illustration of FIG. 1 for a controlled generation of the high frequency of the current controller.

Fig. 1 zeigt einen Gleichrichter 1 für die Erzeugung eines Gleichstroms. Der vom Gleichrichter erzeugt Gleichstrom wird von einem Gleichstromsteller 2 hochfrequent ein- und ausgeschaltet, um einen resultierenden hochkonstanten Gleichstrom zu gewähr­ leisten. Der so geregelte Gleichstrom gelangt auf einen nieder­ frequent schaltenden Wechselrichter 3, der die Richtung des durch eine Lichtbogenlampe 4 fließenden Stroms niederfrequent umschaltet. Fig. 1 shows a rectifier 1 for generating a DC current. The direct current generated by the rectifier is switched on and off at a high frequency by a direct current controller 2 in order to ensure a resulting high constant direct current. The direct current thus regulated reaches a low-frequency switching inverter 3 , which switches the direction of the current flowing through an arc lamp 4 at low frequency.

Eine Regel- und Steuereinheit 5 beinhaltet einen Pulsbreitenmo­ dulator 6, der die Pulsbreiten der Einschaltimpulse des Gleich­ stromstellers 2 in Abhängigkeit von einem beispielsweise am Wechselrichter 3 gemessenen Strom so regelt, daß dieser Strom konstant bleibt.A regulating and control unit 5 includes a pulse width modulator 6 , which controls the pulse widths of the switch-on pulses of the direct current regulator 2 as a function of a current measured, for example, at the inverter 3, so that this current remains constant.

Erfindungsgemäß wird der Pulsbreitenmodulator 6 nicht von einem Oszillator mit einer konstanten Frequenz versorgt, sondern von einem variablen Oszillator 7, der beispielsweise ein VCO (Voltage controlled oscillator) sein kann. Erfindungsgemäß sind in diesem Ausführungsbeispiel der VCO 7 mit einem niederfrequen­ ten Wobbelsignal 8 in Sägezahnform angesteuert, so daß sich die Ausgangsfrequenz des VCO 7 beispielsweise von einer niedrigen Anfangsfrequenz bis zu einer Endfrequenz linear und zurück zur Anfangsfrequenz schlagartig verstellt. Erfahrungsgemäß liegt eine Resonanzfrequenz einer Metall-Lichtbogenlampe 4 zwischen 20 und 25 kHz. Mit dem niederfrequenten Wobbelsignal 8 wird der VCO 7 in diesem Fall beispielsweise zwischen 19 und 29 kHz verstellt und dies mit einer Wobbelfrequenz von beispielsweise 100 Hz. Die Verwendung einer Wobbelfrequenz, die gleich der Frequenz des Wechselrichters 3 oder ein Vielfaches davon ist, hat den Vor­ teil, daß derselbe niederfrequente Takt für die NF-Wobbelung und den Wechselrichter 3 benutzt werden kann.According to the invention, the pulse width modulator 6 is not supplied by an oscillator with a constant frequency, but by a variable oscillator 7 , which can be, for example, a VCO (Voltage controlled oscillator). According to the invention in this embodiment, the VCO 7 is driven with a low frequency wobble signal 8 in a sawtooth shape, so that the output frequency of the VCO 7 is linearly adjusted, for example, from a low starting frequency to an end frequency and suddenly returned to the starting frequency. Experience has shown that a resonance frequency of a metal arc lamp 4 is between 20 and 25 kHz. With the low-frequency sweep signal 8 of the VCO 7 is for example adjusted in this case, 19 to 29 kHz, and this has a wobble frequency of for example 100 Hz. The use of a wobble frequency that is equal to the frequency of the inverter 3 or a multiple thereof, the pre partly that the same low-frequency clock can be used for the LF sweep and the inverter 3 .

Diese Ausführungsform der Erfindung ist somit mit ganz geringem zusätzlichen Aufwand realisierbar und beseitigt wirkungsvoll störende Einflüsse aufgrund von in der Lichtbogenlampe 4 ent­ stehenden Resonanzen.This embodiment of the invention can thus be implemented with very little additional effort and effectively eliminates disruptive influences due to resonances occurring in the arc lamp 4 .

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die dortige Regel- und Steuereinheit 5′ ebenfalls einen Pulsbreiten­ modulator 6 und einen VCO 7. Das Steuersignal für den VCO 7 wird jedoch von einem PI-Regler 9 erzeugt.In the embodiment shown in FIG. 2, the regulating and control unit 5 'there also contains a pulse width modulator 6 and a VCO 7 . However, the control signal for the VCO 7 is generated by a PI controller 9 .

Zur Detektion von Instabilitäten des Stromflusses durch die Lichtbogenlampe 4 wird dieser Stromfluß sensiert und über einen Blockkondensator 10 einer Schaltungseinrichtung 11 zugeführt, in der durch die übertragenen Wechselspannungsanteile ein Gleich­ signal als Istsignal erzeugt wird, das an einem Summationspunkt von einem Sollsignal subtrahiert wird und auf den PI-Regler 9 gelangt, der eine solche Verstellung des VCO 7 vornimmt, daß das Eingangssignal 0 wird. Das Sollsignal der prinzipiell darge­ stellten Regelung ist im vorliegenden Fall 0, da das Istsignal am Ausgang der Schaltungseinrichtung 11 im geregelten Zustand 0 sein soll. Das Auftreten von niederfrequenten Wechselstromantei­ len im gemessenen Stromfluß bist führt somit zu einer Änderung der Ausgangsfrequenz des VCO 7, bis keine Wechselspannungsantei­ le am Ausgang des Blockkondensators 10 mehr anstehen.To detect instabilities of the current flow through the arc lamp 4 , this current flow is sensed and fed via a block capacitor 10 to a circuit device 11 in which a direct signal is generated as an actual signal by the transmitted AC voltage components, which is subtracted from a desired signal at a summation point and onto which PI controller 9 arrives, which makes such an adjustment of the VCO 7 that the input signal becomes 0. The desired signal of the control system shown in principle is 0 in the present case, since the actual signal at the output of the circuit device 11 should be 0 in the controlled state. The occurrence of low-frequency AC parts in the measured current flow thus leads to a change in the output frequency of the VCO 7 until no AC voltage components are present at the output of the block capacitor 10 .

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel arbeitet somit mit einer konstanten Frequenz des VCO 7, bis der Regelfall, nämlich das Auftreten von niederfrequenten Wechselstromanteilen, eintritt. Dann wird die Ausgangsfrequenz des VCO 7 geändert und verbleibt dort, bis erneut eine Regelung erforderlich wird. The exemplary embodiment shown in FIG. 2 thus operates at a constant frequency of the VCO 7 until the normal case, namely the occurrence of low-frequency AC components, occurs. Then the output frequency of the VCO 7 is changed and remains there until regulation is required again.

Demgegenüber wird in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 keine Regelung durchgeführt sondern ständig die Ausgangsfrequenz des VCO 7 variiert.In contrast, in the exemplary embodiment according to FIG. 1 no regulation is carried out but the output frequency of the VCO 7 is constantly varied.

Claims (8)

1. Steuergerät für wenigstens eine Entladungslampe (4) mit einem an eine Gleichspannungsquelle (1) angeschlossenen Wechselrichter (3) zum niederfrequenten Ändern der Strom­ flußrichtung durch die Entladungslampe (4) und mit einem Stromsteller (2), der an einen Stromsensor angeschlossen ist und mit einer durch einen Oszillator (7) eingestell­ ten Hochfrequenz den durch eine Induktivität und die Ent­ ladungslampe (4) fließenden Strom ein- und ausschaltet und durch Regelung der Impulsbreite den resultierenden Strom konstant hält, dadurch gekennzeichnet, daß der Os­ zillator (7) für die Hochfrequenz durch ein Steuersignal in seiner Hochfrequenz im Betrieb veränderbar ist.1. Control device for at least one discharge lamp ( 4 ) with an inverter ( 3 ) connected to a DC voltage source ( 1 ) for low-frequency changing of the current flow direction through the discharge lamp ( 4 ) and with a current regulator ( 2 ) which is connected to a current sensor and with a high frequency set by an oscillator ( 7 ), the current flowing through an inductor and the discharge lamp ( 4 ) turns current on and off and keeps the resulting current constant by regulating the pulse width, characterized in that the oscillator ( 7 ) for the radio frequency of the radio frequency can be changed during operation by a control signal. 2. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wobbelgenerator die Hochfrequenz mit einer niederfre­ quenten Wobbelfrequenz über einen mehrere Kilohertz brei­ ten Frequenzbereich verändert, wobei jeweils ein Reso­ nanzbereich der Entladungslampe (4) durchlaufen wird.2. Control device according to claim 1, characterized in that a wobble generator changes the high frequency with a low frequency wobble frequency over a several kilohertz broad frequency range, each of which passes through a resonance range of the discharge lamp ( 4 ). 3. Steuergerät nach Anspruchh 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wobbelgenerator ein sägezahnförmiges Wobbelsignal (8) erzeugt. 3. Control device according to claim 2, characterized in that the wobble generator generates a sawtooth-shaped wobble signal ( 8 ). 4. Steuergerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wobbelfrequenz < 1 kHz ist.4. Control device according to claim 2 or 3, characterized net that the wobble frequency is <1 kHz. 5. Steuergerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wobbelfrequenz in der Größenordnung von 100 Hz liegt.5. Control device according to claim 4, characterized in that the sweep frequency is of the order of 100 Hz. 6. Steuergerät nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wobbelgenerator und der Wechsel­ richter (3) mit demselben Niederfrequenz-Oszillator ge­ steuert werden.6. Control device according to one of claims 2 to 5, characterized in that the wobble generator and the inverter ( 3 ) are controlled with the same low-frequency oscillator GE. 7. Steuergerät nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Hochfrequenz durchlaufene Frequenzbereich zwischen 19 und 29 kHz liegt.7. Control device according to one of claims 2 to 7, characterized characterized in that the one traversed by the radio frequency Frequency range is between 19 and 29 kHz. 8. Steuergerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Sensor (10, 11) für niederfrequente Schwankungen des Stroms (iist) durch die Entladungslampe (4) und durch eine Regelschaltung (9, 7) zur Veränderung der Hochfrequenz, bis ein Verschinden der niederfrequenten Schwankungen detektiert ist.8. Control device according to claim 1, characterized by a sensor ( 10 , 11 ) for low-frequency fluctuations in the current (i ist ) through the discharge lamp ( 4 ) and by a control circuit ( 9 , 7 ) for changing the high frequency until the low-frequency disappears Fluctuations is detected.
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