DE4317011A1

DE4317011A1 - Power supply device for operating a DC gas-discharge lamp

Info

Publication number: DE4317011A1
Application number: DE19934317011
Authority: DE
Inventors: Arno Reinefeld
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-05-17
Filing date: 1993-05-17
Publication date: 1994-11-24

Abstract

The known power supply devices for DC gas-discharge lamps are not able to provide the lamp, in all possible operating states, with the operating parameters, prescribed by the manufacturer, with high precision. The novel power supply device is intended to maintain the required operating parameters with high precision under all conditions and thereby to achieve for the lamps the longest possible service life and an emission which is as constant as possible. The problem is solved in essence in that the operating parameters of the lamp are constantly measured by suitable devices (2), (3) and (4), and in that a power supply unit (6) is controlled by linear and non-linear processing of these measured values in the devices (4) and (5) in such a way that the operating parameters correspond precisely to the preset specifications. The power supply device is particularly suitable for supplying DC gas-discharge lamps and other loads which require a specific characteristic which cannot be generated by conventional power supply units. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Stromversorgungsgerät zum Betreiben einer Gleichstrom- Gasentladungslampe.The invention relates to a power supply device for operating a direct current Gas discharge lamp.

Es sind vielfältige Stromversorgungseinrichtungen für Gasentladungslampen bekannt. Diese lassen sich durch die Art der Einstellung der Lampenbetriebsbedingungen unterscheiden.Various power supply devices for gas discharge lamps are known. Leave this differ in the way the lamp operating conditions are set.

Einerseits werden passive Elemente zur Einstellung der Lampenbetriebsbedingungen wie z. B. Streutransformatoren oder andere Induktivitäten oder Widerstände sowie Kombinationen aus Widerständen und Induktivitäten verwendet (OSRAM-Firmenschriften "Anforderungen an Stromversorgungen für gleichstrombetriebene Quecksilberdampfkurzbogenlampen" und "Hinweise zur Ausgestaltung von Geräten für Quecksilberdampf-Kurzbogenlampen"). Diese Stromversorgungsgeräte sind für die Versorgung von Gasentladungslampen prinzipiell nur bedingt geeignet, weil sich mit ihnen nur in sehr kleinen Bereichen brauchbare Betriebsbedingungen herstellen lassen. Die Schwierigkeiten rühren daher, daß das Stromversorgungsgerät, zumindest im normalen Betriebsbereich der Lampe, die inverse Kennlinie der Lampe aufweisen muß. Diese stark nichtlineare Kennlinie läßt sich jedoch mit linearen passiven Bauelementen überhaupt nicht und mit nichtlinearen passiven Bauelementen nur in kleinen Bereichen näherungsweise nachbilden. Darüber hinaus können solche Anordnungen Änderungen der äußeren Bedingungen (wie z. B. Netzspannungsschwankungen) meist nicht ausgleichen. In dem für die Lebensdauer der Lampe wesentlichen Anlaufbereich wird außerdem das Verhalten einer idealen Stromquelle gefordert, das mit passiven Schaltungen prinzipiell nicht erreicht werden kann. Daher ist bei derartigen Anordnungen die zulässige Schalthäufigkeit im Interesse der Lampenlebensdauer begrenzt.On the one hand, passive elements for setting the lamp operating conditions such. B. Scatter transformers or other inductors or resistors and combinations Resistors and inductors are used (OSRAM company specifications "requirements Power supplies for direct current mercury vapor short arc lamps "and" Notes on Design of devices for mercury vapor short-arc lamps "). These power supply devices are in principle only of limited suitability for the supply of gas discharge lamps because they deal with them only have usable operating conditions established in very small areas. Difficulties stem from the fact that the power supply, at least in the normal operating range of the lamp, the must have the inverse characteristic of the lamp. However, this strongly non-linear characteristic can be used linear passive components not at all and with nonlinear passive components only in approximate small areas. In addition, such arrangements can Changes in the external conditions (such as fluctuations in the mains voltage) usually do not occur compensate. In the startup area that is essential for the life of the lamp, Behavior of an ideal current source required, which in principle cannot be achieved with passive circuits can be. Therefore, the permissible switching frequency is in the interest of such arrangements Limited lamp life.

Andererseits wird mit aktiven Halbleiterschaltungen (z. B. OS DE 38 11 194 A1, OS DE 41 18 077 A1) versucht den Lampen die in den jeweiligen Betriebszuständen notwendigen Betriebsbedingungen bereitzustellen. Auch diese Lösungen verwenden weiterhin Induktivitäten als Vorschaltelemente und sind bisher nicht in der Lage im gesamten Bereich der möglichen Lampenbetriebszustände optimale Betriebsbedingungen herzustellen. Die Probleme sind offenbar so groß, daß der einfacheren Realisierbarkeit wegen sogar große Wechselstromanteile im Lampenstrom zugelassen bzw. erzeugt werden, entgegen den Empfehlungen der Lampenhersteller bezüglich der Lebensdauer.On the other hand, active semiconductor circuits (e.g. OS DE 38 11 194 A1, OS DE 41 18 077 A1) tries the lamps the operating conditions necessary in the respective operating conditions to provide. These solutions also continue to use inductors as ballasts and have so far not been able to optimize the entire range of possible lamp operating states Establish operating conditions. The problems are apparently so great that the simpler Realizability permitted or generated due to even large AC components in the lamp current contrary to the recommendations of the lamp manufacturers regarding the service life.

Weiterhin ist nachteilig, daß der Übergang zwischen den einzelnen Betriebsbereichen der Lampe durch deren Lichtemission bzw. durch Zeitgeberschaltungen und nicht durch den tatsächlichen Betriebszustand der Lampe bestimmt wird.Another disadvantage is that the transition between the individual operating areas of the lamp by their light emission or by timer circuits and not by the actual Operating state of the lamp is determined.

Der im Patentanspruch angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, gegenüber den dem Stand der Technik entsprechenden Lösungen eine Stromversorgung für Gasentladungslampen zu schaffen, die die maximal mögliche Lebensdauer und Konstanz der Emission dieser Lampen ermöglicht. Dazu ist es erforderlich, die Lampen in jedem möglichen Betriebsbereich exakt entlang der vom Hersteller vorgegebenen Kennlinien zu betreiben, ohne sich den Grenzwerten zu nähern.The invention specified in the claim is based on the problem compared to the prior art technical solutions to create a power supply for gas discharge lamps, which enables the maximum possible lifespan and constancy of emission of these lamps. To it is necessary to have the lamps in every possible operating range exactly along that of the manufacturer operate specified characteristic curves without approaching the limit values.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. This problem is solved by the features listed in claim 1.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine sehr gute Konstanz der emittierten Strahlung und die Ausschöpfung der maximal möglichen Lebensdauer der Lampen erreicht wird.The advantages achieved by the invention are, in particular, that the constancy is very good emitted radiation and exhausted the maximum possible lamp life becomes.

Darüber hinaus gestattet die erfindungsgemäße Lösung den Verzicht auf die sonst üblichen großvolumigen Vorschaltinduktivitäten.In addition, the solution according to the invention makes it possible to dispense with the otherwise customary ones large-volume series inductors.

Embodiment

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawing and will be described in more detail below described.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild der Erfindung. Fig. 1 shows the basic circuit diagram of the invention.

Fig. 2 zeigt die schematische Darstellung der Lampenkennlinie. Fig. 2 shows the schematic representation of the lamp characteristic.

In Fig. 1 ist eine steuerbare Stromversorgungseinheit (6) vorgesehen, die der Lampe (7) die notwendige Versorgungsleistung liefert. Eine Spannungsmeßeinheit (2) ist eingangsseitig parallel zur Lampe (7) angeschlossen und erzeugt ein der Lampenspannung proportionales Signal, das in den ersten Eingang der Steuereinheit (5) eingespeist wird. Die Eingangsklemmen der Strommeßeinheit (3) sind an einen in Reihe zur Lampe (7) geschalteten Meßwiderstand (8) angeschlossen. Der Spannungsabfall am Widerstand (8) ist dem Lampenstrom proportional und wird in der Strommeßeinheit (3) in ein dem Lampenstrom proportionales Signal umgesetzt, das in den zweiten Eingang der Steuereinheit (5) eingespeist wird. Die Multipliziereinheit (4) besitzt 3 Eingangsklemmen mit denen sie gleichzeitig parallel zur Lampe (7) und parallel zum Widerstand (8) angeschlossen ist. In der Multipliziereinheit (4) werden dem Lampenstrom und der Lampenspannung proportionale Signale erzeugt und miteinander multipliziert. Das Produkt der Multiplikation ist der momentanen Lampenleistung proportional und wird in den den dritten Eingang der Steuereinheit (5) eingespeist. Die Einheiten (2), (3) und (4) enthalten außerdem Potentialversatzschaltungen zum Ausgleich der großen Potentialdifferenzen zwischen der Lampe (7) und der Steuereinheit (5). Die Steuereinheit (5) erkennt durch Vergleich der von den Einheiten (2), (3) und (4) gelieferten Signale mit einstellbaren oder festen Vergleichswerten den jeweiligen Betriebszustand der Lampe und entscheidet, welche der gemessenen bzw. errechneten Größen in welchem Umfang zur Steuerung der Stromversorgungseinheit (6) verwendet werden.In Fig. 1, a controllable power supply unit ( 6 ) is provided, which supplies the lamp ( 7 ) with the necessary supply power. A voltage measuring unit ( 2 ) is connected on the input side parallel to the lamp ( 7 ) and generates a signal proportional to the lamp voltage, which is fed into the first input of the control unit ( 5 ). The input terminals of the current measuring unit ( 3 ) are connected to a measuring resistor ( 8 ) connected in series with the lamp ( 7 ). The voltage drop across the resistor ( 8 ) is proportional to the lamp current and is converted in the current measuring unit ( 3 ) into a signal proportional to the lamp current, which is fed into the second input of the control unit ( 5 ). The multiplier unit ( 4 ) has 3 input terminals with which it is connected in parallel to the lamp ( 7 ) and in parallel to the resistor ( 8 ). In the multiplication unit ( 4 ) signals proportional to the lamp current and the lamp voltage are generated and multiplied together. The product of the multiplication is proportional to the instantaneous lamp power and is fed into the third input of the control unit ( 5 ). The units ( 2 ), ( 3 ) and ( 4 ) also contain potential offset circuits to compensate for the large potential differences between the lamp ( 7 ) and the control unit ( 5 ). The control unit ( 5 ) recognizes the respective operating state of the lamp by comparing the signals supplied by the units ( 2 ), ( 3 ) and ( 4 ) with adjustable or fixed comparison values and decides which of the measured or calculated quantities and to what extent for control purposes the power supply unit ( 6 ) can be used.

Zur Stromversorgung der Schaltungseinheiten (2), (3), (4) und (5) ist die interne Stromversorgung (1) enthalten.The internal power supply ( 1 ) is included to supply power to the circuit units ( 2 ), ( 3 ), ( 4 ) and ( 5 ).

Die prinzipielle Funktion wird nun im Zusammenwirken mit den Lampenbetriebsphasen näher beschrieben.The basic function is now closer in interaction with the lamp operating phases described.

Es können 3 wesentliche Phasen unterschieden werden, die in Fig. 2 dargestellt sind.3 essential phases can be distinguished, which are shown in FIG. 2.

Phase 1: Die Lampe ist noch nicht gezündet (12) und benötigt eine Versorgungsspannung in bestimmter Höhe und Belastbarkeit, um vom Zündvorgang in die Anlaufphase überzugehen.Phase 1: The lamp has not yet been ignited ( 12 ) and requires a supply voltage of a certain level and load capacity in order to transition from the ignition process to the start-up phase.

Phase 2: Die Lampe befindet sich nach der Zündung in der Anlaufphase (10).Phase 2: The lamp is in the start-up phase after the ignition ( 10 ).

Phase 3: Nach Abschluß der Anlaufphase geht die Lampe in die Arbeitsphase (11) über. Phase 3: After the start-up phase, the lamp goes into the work phase ( 11 ).

In Phase 1 (12) wird die Stromversorgungseinheit (6) durch die Steuereinheit (5) so geregelt, daß der Lampe eine in der Höhe und Belastbarkeit einstellbare Spannung bereitgestellt wird. Dazu benutzt die Steuereinheit (5) die von den Meßeinheiten (2) und (3) gelieferten Signale. Nach Übergang in die Anlaufphase (10) führt die Lampe einen relativ großen Strom bei vergleichsweise geringer Brennspannung. Diese Verhaltensänderung wird durch Auswertung der Strom- und Spannungsmeßsignale (2), (3) durch die Steuereinheit (5) erkannt und die Stromversorgungseinheit (6) so geregelt, daß die Stromversorgungseinrichtung in dieser Phase als Konstantstromquelle betrieben wird. Während der Anlaufphase (10) steigt die Brennspannung an der Lampe bei konstantem Strom so weit an, bis die Nennleistung erreicht ist. Nun wird von der Steuereinheit (5) das von der Multipliziereinheit (4) gelieferte Signal zur Regelung der Stromversorgung (6) benutzt. Das Stromversorgungsgerät arbeitet jetzt als geregelte Konstantleistungsquelle (11). Dieser Betriebszustand hält während der Betriebszeit der Lampe an.In phase 1 ( 12 ), the power supply unit ( 6 ) is regulated by the control unit ( 5 ) in such a way that the lamp is provided with a voltage which is adjustable in height and load capacity. For this purpose, the control unit ( 5 ) uses the signals supplied by the measuring units ( 2 ) and ( 3 ). After the transition to the start-up phase ( 10 ), the lamp carries a relatively large current with a comparatively low operating voltage. This change in behavior is recognized by evaluating the current and voltage measurement signals ( 2 ), ( 3 ) by the control unit ( 5 ) and the power supply unit ( 6 ) is regulated in such a way that the power supply device is operated in this phase as a constant current source. During the start-up phase ( 10 ), the burning voltage at the lamp rises at a constant current until the nominal power is reached. Now the control unit ( 5 ) uses the signal supplied by the multiplier ( 4 ) to regulate the power supply ( 6 ). The power supply unit now works as a regulated constant power source ( 11 ). This operating state continues during the operating time of the lamp.

Auch wenn in den verschiedenen Phasen nur einzelne der von den Meß- und Recheneinheiten (2), (3) und (4) gelieferten Signale zur aktiven Regelung benutzt werden, so sind doch immer alle diese Signale ständig verfügbar und werden von der Steuereinheit (5), wenn es z. B. im Fehlerfall notwendig ist, zur Begrenzung der Ausgangsgrößen der Stromversorgungseinrichtung verwendet.Even if only individual signals supplied by the measuring and computing units ( 2 ), ( 3 ) and ( 4 ) are used for active control in the various phases, all of these signals are always available and are transmitted by the control unit ( 5 ) if it is e.g. B. is necessary in the event of a fault, used to limit the output variables of the power supply device.

Die Stromversorgungseinheit (6) kann als beliebige steuerbare Stromversorgung ausgeführt werden. Im Interesse eines hohen Wirkungsgrades der Gesamtanordnung ist es insbesondere bei großen Lampenleistungen vorteilhaft, für die Stromversorgungseinheit (6) eine geschaltete Stromversorgung zu verwenden. Durch Modifikation des Übertragungsverhaltens der Meß- und Recheneinheiten (2), (3) und (4) und der Steuereinheit (5) sind beliebige andere Verhaltensweisen des Stromversorgungsgerätes einstellbar. So ist es beispielsweise möglich in der Recheneinheit (4) anstelle der Multiplikation eine tanh-Funktion zu realisieren.The power supply unit ( 6 ) can be designed as any controllable power supply. In the interest of a high efficiency of the overall arrangement, it is advantageous to use a switched power supply for the power supply unit ( 6 ), particularly in the case of large lamp powers. Any other behavior of the power supply unit can be set by modifying the transmission behavior of the measuring and computing units ( 2 ), ( 3 ) and ( 4 ) and the control unit ( 5 ). For example, it is possible to implement a tanh function in the computing unit ( 4 ) instead of multiplication.

Claims

1. Power supply device for direct current gas discharge lamps with measurement of the operating parameters of the lamp, characterized in that the respective operating state of the lamp ( 7 ) is recognized and the lamp by suitable linear and non-linear processing of the operating parameters in the devices ( 4 ) and ( 5 ) by the power supply unit is provided with optimal operating conditions for every possible operating state.

2. Power supply device according to claim 1, characterized in that in order to set the most favorable conditions for igniting the lamp, the voltage above the lamp is measured by a suitable device ( 2 ).

3. Power supply device according to claim 1, characterized in that in order to set the most favorable operating conditions for the starting area of the lamp, the current flowing through the lamp is measured by a suitable device ( 3 ).

4. Power supply device according to claim 1, characterized in that for setting the most favorable operating conditions in the working range of the lamp, the measured values of the lamp current and the lamp voltage are measured in a suitable device ( 4 ) and non-linearly linked.

5. Power supply device according to claim 1, characterized in that the measured values of the lamp current and the lamp voltage and the combination of these values in a control unit ( 5 ) are prepared so that thereby the control of the controllable power supply ( 6 ) is made possible in the manner according to the invention.