DE4425890A1 - Schaltungsanordnung für den Betrieb einer Entladungslampe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für den Betrieb einer Entladungslampe, bestehend aus mindestens zwei über einen Oszillator gesteuerte alternierend schal­ tende Transistoren, an deren Mittelpunkt ein Lastkreis mit mindestens einer Entladungslampe angeschlossen ist.

Im allgemeinen werden Wechselrichterschaltungen über Stromtransformatoren gesteuert, die durch ihr Sättigungs­ verhalten eine gute Konstanz der Lastkreisparameter ge­ währleisten und ein sicheres Schalten der Schaltelemente garantieren. In Abhängigkeit von den Bauelementetoleran­ zen, der Eingangsspannung und der Temperatur unterliegen die Lastkreisparameter jedoch Änderungen, die sich ungün­ stig auf die Lebensdauer und die Eigenschaften der Entla­ dungslampe auswirken können.

So kann die Eingangsleistung bis zu einer Toleranz von +/- 15% und die Lichtausbeute der Lampe bis zu einer Toleranz von +/- 10% vom Nennwert abweichen.

Mit Hilfe von elektronischen Oberschwingungsfiltern kann die Eingangsspannung konstant eingestellt werden, womit gleichzeitig eine zufriedenstellende Einstellung der Parameter für die Lampe erreicht werden kann. Hierzu be­ dient man sich Überwachungsschaltungen für die Spannung am Speicherkondensator oder auch für die Lampenspannung (C. H. Sturm/E. Klein "Betriebsgeräte und Schaltungen für elektrische Lampen", 1992).

Konstante Lampenparameter lassen sich nur über eine Regelung des Arbeits- oder Betriebsstromes erreichen. Die Schaltungsanordnung nach DE 34 20 469 regelt den Betriebs­ strom derart, daß die selbständige Änderung der Last­ kreisparameter durch eine Impulsbreitenmodulation er­ folgt, die die sich ändernde Phase des Betriebsstromes durch eine Phasenverschiebung der abgestimmten Last kompensiert. Diese Schaltung arbeitet mit einer konstanten Frequenz, bei einem hohen schaltungstechnischen Aufwand.

In der Schaltungsanordnung nach DE 32 08 607 wird über die Ausnutzung einer Frequenzumschaltung bzw. einer kon­ tinuierlich durchstimmbaren Stufe das Heizen, Zünden und der Betrieb der Entladungslampe realisiert. Es erfolgt keine Regelung der entsprechend der angeschlossenen Ent­ ladungslampe einzustellenden Parameter während der drei Betriebszustände.

Dies ist nachteilig für die Reproduzierbarkeit des Start­ haltens der angeschlossenen Entladungslampe und gewähr­ leistet keine kontinuierliche Lichtausbeute während des stationären Betriebes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schal­ tungsanordnung für den Betrieb einer Entladungslampe anzugeben, die in Abhängigkeit vom Lastkreisstrom einen sicheren Betrieb unter allen Betriebsbedingungen ermög­ licht und eine Integration der angegebenen Schaltungsan­ ordnung gestattet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Schaltungsanordnung, die aus mindestens zwei alter­ nierend schaltenden Transistoren besteht, über einen Oszillator gesteuert wird und das an dem frequenzbe­ stimmenden Widerstand des Oszillators eine Regelschaltung angeschlossen ist.

Die Regelschaltung besteht aus einer Kombination mehre­ rer Schwellwertschalter, mit denen die Pegel für die verschiedenen Betriebsregime der Entladungslampe einge­ stellt werden können und Zählern für die Einstellung der Heiz- und Zündzeit der Entladungslampe, die durch logi­ sche Verknüpfungen miteinander verbunden sind und somit den sicheren Betrieb des Halb- oder Vollbrücken­ wechselrichters gewährleisten und die Regelung des Last­ kreisstromes gemäß der eingestellten Parameter garantiert.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß das Regeleingangs­ signal aus einer Strommessung im Leistungspfad mindestens eines schaltenden Transistors des Wechselrichters gewon­ nen wird.

Es liegt weiter im Rahmen der Erfindung, daß eine Rege­ lung während des Heizens, Zündens und während des Be­ triebes der Entladungslampe über eine Auswertung ver­ schiedener, an die jeweilige Betriebsbedingung angepaß­ ter, Pegel im Lastkreis erfolgt.

Es liegt weiter im Rahmen der Erfindung, daß die Auswer­ tung der Pegelsignale über Operationsverstärker erfolgt, an denen eine Logikschaltung angeschlossen ist, die ge­ koppelt mit Zeitgliedern einen auf die jeweilige Entla­ dungslampe abgestimmten zeitlichen Verlauf des Heiz-, Zünd- und Betriebsregimes garantiert.

Es liegt weiterhin im Rahmen der Erfindung, daß das siche­ re Schalten der Transistoren während des Heizens, des Zündens und des Betriebes der Entladungslampe dadurch sichergestellt wird, daß die Phasenlage des Betriebs­ stromes ausgewertet und dementsprechend die Frequenz eingestellt wird, mit der der Lastkreisstrom ausgeregelt wird und einen sicheren Betrieb der Entladungslampe ge­ währleistet, indem der Lastkreis immer induktiv bleibt.

Es liegt weiterhin im Rahmen der Erfindung, daß durch die Logikschaltung ein Stop des Zählers bei der untersten und obersten Frequenz erfolgt, so daß ein Sprung von der untersten zur obersten Frequenz bzw. von der obersten zur untersten Frequenz verhindert wird.

Die Schaltungsanordnung ist so aufgebaut, daß die Rege­ lung mittels Zähler digital erfolgt und daß der Zähler­ stand in eine analoge Steuergröße umgewandelt wird.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 das Prinzipschaltbild der Schaltungsanordnung;

Fig. 2 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ohne Regelteil;

Fig. 3 den Regelteil der Schaltungsanordnung.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen das Schaltbild einer erfin­ dungsgemäßen Schaltungsanordnung, die, in Abhängigkeit vom sicheren Betrieb des aus den Transistoren V13 und V14 bestehenden Halbbrückenwechselrichters, den zeitli­ chen Verlauf des Heizens und Zündens sowie die Regelung des Lastkreisstromes während des Heizens, Zündens und des stationären Betriebes der Entladungslampe garantiert. Die Gleichspannung mit dem Pluspol 1 und dem Minuspol 2 zur Speisung des Halbbrückenwechselrichters wird in be­ kannter Weise durch Gleichrichtung und Glättung aus dem 230 V/50 Hz-Netz gewonnen.

Mit dem Anliegen dieser Spannung steigt die Hilfsspan­ nungsversorgung 3 für den Oszillator IC1 und die Regelung langsam an. Solange diese nicht die Anschwingspannung des Oszillators IC1 erreicht, liegt an den Zählern IC3, IC10 und IC11 und dem Abschalt-Flip-Flop IC9 ein Reset-Signal an. Die Stromversorgung für die Digi­ talschaltung muß vor dem Erreichen der Anschwingspannung gesichert sein. Wird die Anschwingspannung erreicht, können die Ausgänge 11 und 14 des Oszillators IC1 arbeiten. Die Frequenz, auf der der Halbbrückenwechsel­ richter schwingt, wird durch den Kondensator C6, den Widerständen R16 (absolute Totzeit) und R15 (Einschalt­ zeit) sowie der Spannung am Ausgang des Digital-Analog-Wandlers IC14 bestimmt. Das Tastverhältnis wird durch den Widerstand R17 eingestellt.

Mit dem ersten Impuls am Ausgang 11 des Pulsweitenmodula­ tors IC1 wird eine Thyristornachbildung, bestehend aus V11 und V12 mit geringem Haltestrom eingeschaltet, wodurch das Reset-Signal aufgehoben wird. Somit sind beim Start der Schaltung alle Zähler auf 0 einschließlich der Zähler der Regelschaltung. Die Schaltung startet immer mit ihrer höchsten Frequenz, weil die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers IC14 bei Zählerstand 0 eine Ausgangsspannung von 0 V erzeugt. Der Zähler IC3 zählt die Einschaltungen des Halbbrückentransistors V14. Über die Einstellung des Teilungsfaktors wird die notwendige Heizzeit für die Entladungslampe E eingestellt. Wird der Ausgang von IC3 High, wird auch der eine Eingang des Zählers High und blockiert damit weitere Zählimpulse des anderen Eingangs.

Der Zähler IC10 zählt ebenfalls die Einschaltungen des Halbbrückentransistors V14, aber erst dann, wenn der 1. Zähler IC3 die Zählung der Heizzeit beendet hat, da er von diesem während der Heizzeit auf Reset gehalten wird.

Der Zähler IC10 zählt somit die Zündzeit, die entspre­ chend dem eingestellten Teilungsfaktor vorgegeben ist.

Während dieser Zeit muß die Lampe zünden, da sonst die Abschaltung über das Flip-Flop IC9 aktiv wird und den Halbbrückenwechselrichter abschaltet.

Die Regelung des Lastkreisstromes erfolgt durch die Er­ zeugung einer Gegenspannung am frequenzbestimmenden Widerstand R15. Diese Gegenspannung wird durch einen 8-Bit Digital-Analog-Wandler IC14 erzeugt. Bei einem Zählerstand von "0" ist die Ausgangsspannung gleich 0 V, und bei einem Zählerstand von "255" ist die Ausgangsspan­ nung auf 2,88 V eingestellt. Dies ergibt einen Regelbe­ reich der Frequenz von ca. 50 kHz. Der Digitalwert wird von zwei kaskadierten Auf-/Abwärtszählern IC12 und IC13 gebildet. Die Zählrichtung dieser Zähler wird während der Einschaltzeit von Transistor V14 eingestellt. Der Zähl­ vorgang wird erst durch das Einschaltsignal für den Transistor V13, vom Ausgang 14 des Pulsweitenmodulators IC1, ausgelöst. Die Zähler erhöhen bzw. erniedrigen den Zählerstand jeweils um den Wert 1. Der Zählvorgang wird bei einem Zählerstand von "0" oder "255" gesperrt, so daß kein Frequenzsprung von der unteren zur oberen Frequenz oder umgekehrt stattfinden kann. Der Zähler bleibt dann bei dem Zählerstand "0" oder "255" stehen und kann dann nur bei "0" aufwärts und bei "255" abwärtszählen.

Dies ist durch die Gatter G15 bis G20 realisiert.

Wenn das Signal am Anschluß 11 des Oszillators IC1 High wird und somit den Transistor V14 einschaltet, wird das Flip-Flop IC11 durch die Flanke des Signals auf den Wert Q = High geschaltet. Dies wäre für die Zähler IC12 und IC13 das Signal, daß sie abwärtszählen.

Fließt nun während der Einschaltzeit des Transistors V 14 ein negativer Strom durch den Widerstand R20, ent­ steht ein Low-Signal am Ausgang des Operationsverstärkers IC8. Dieses Signal führt dazu, daß das Flip-Flop IC11 ein Reset durchführt und der Ausgang Q den Wert Low an­ nimmt. Daraus folgt, daß die Zähler nun aufwärtszählen.

Entsteht kein Low-Signal am Ausgang des Operationsver­ stärkers IC8, so bleibt das Flip-Flop IC11 weiterhin gesetzt und die Zähler bleiben auf Abwärtszählen ge­ schaltet. Sind die Zähler durch das Flip-Flop IC11 auf Abwärtszählen geschaltet, beeinflußt die weitere Aus­ wertung des Stromes durch den Widerstand R20 die Zähl­ richtung der Zähler nicht, und es bleibt beim Abwärtszäh­ len. Somit ist sichergestellt, daß der Schwingkreis L1, C3, E immer induktiv ist und die Transistoren sicher und nur mit sehr geringen Verlusten schalten.

Die Operationsverstärker IC5, IC6 und IC7 werten den positiven Spitzenstrom durch den Widerstand R20 aus. Wird die jeweilige Schwellspannung erreicht, entsteht am Ausgang des Operationsverstärkers ein Low-Signal. Dieses bewirkt am Flip-Flop IC11 ein Setzen des Ausganges Q auf High. Das bedeutet dann für die Zähler, daß sie abwärts zählen. Die Frequenz wird erhöht und der Strom durch den Schwingkreis C3, L1, E und damit durch den Widerstand R20 wird kleiner. Wird die Schwellspannung nicht mehr erreicht, wird kein Low-Signal des Operationsverstärkers geliefert. Die Ausgänge des Flip-Flop werden nicht gesetzt, und die Zähler zählen aufwärts. Voraussetzung dafür ist jedoch, daß die Negativkontrolle vorher das Flip-Flop rückgesetzt hat. Die Frequenz wird verringert und der Strom wird größer.

Welcher Operationsverstärker, ob IC5, IC6 oder IC7 jeweils das Signal an das Flip-Flop IC11 liefert, wird durch die Auswahllogik der Gatter G6 bis G11 fest­ gelegt. Der Operationsverstärker IC5 zum Regeln des Heizstromes ist solange gewählt, wie ein Low-Signal am Ausgang des Heizzeitzählers IC3 anliegt. Der Opera­ tionsverstärker IC6 zum Regeln des Zündstromes und damit der Zündspannung ist dann ausgewählt, wenn ein High-Signal am Ausgang des Heizzeitzählers IC3 anliegt und ein Low-Signal am Ausgang des Zündzeitzählers IC10.

Der Operationsverstärker IC7 zum Regeln des Betriebs­ stromes ist ausgewählt, wenn der Zündzeitzähler IC10 auf High umgeschaltet hat.

Durch die Schaltung gemäß der Erfindung ist das Tastver­ hältnis fest eingestellt. Durch die Auswertung des Betra­ ges des Stromes im Leistungspfad eines der schaltenden Transistoren wird die Frequenz geregelt, wobei dabei stets eine Kontrolle der Phasenlage des Betriebsstromes er­ folgt, so daß sichergestellt wird, daß der Lastkreis immer induktiv ist.

Durch diese Regelung, die gleichzeitig eine Regelung des Betriebs- bzw. Lastkreisstromes bedeutet, werden konstan­ te Entladungsparameter erreicht. Die Einhaltung dieser Bedingungen gilt für die drei Betriebsfälle Heizen, Zün­ den und den stationären Betrieb der Entladungslampe. Es wird eine sehr hohe Lichtstromkonstanz unabhängig von den Eingangsparametern und den Bauelementetoleranzen er­ reicht. Damit wird eine Erhöhung der derzeitig üblichen Lebensdauerwerte geschaffen.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung für den Betrieb einer Entladungs­ lampe, bestehend aus mindestens zwei über einen Oszilla­ tor gesteuerte alternierend schaltende Transistoren, an deren Mittelpunkt ein Lastkreis mit mindestens einer Entladungslampe angeschlossen ist, dadurch gekennzeich­ net, daß an einem frequenzbestimmenden Widerstand des Oszillators eine Regelschaltung angeschlossen ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Regelsignal aus einer Strommessung im Leistungspfad der schaltenden Transistoren gewonnen wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Regelung während des Heizens, Zündens und während des Betriebes der Entladungslampe über eine Auswertung verschiedener, an die jeweilige Betriebs­ bedingung angepaßter, Pegel im Lastkreis erfolgt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Heizzeit vorgegeben wird und daß die Pegel für die Amplitude des Heizstromes, der Zündspan­ nung und des Betriebsstromes, je nach Art der angeschlos­ senen Entladungslampe, eingestellt werden können.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der Pegelsignale über Operationsverstärker erfolgt, an denen eine Logikschal­ tung angeschlossen ist, die, gekoppelt mit Zeitglie­ dern, einen auf die jeweilige Entladungslampe abge­ stimmten zeitlichen Verlauf des Heiz-, Zünd- und Be­ triebsregimes garantiert.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das sichere Schalten der Transistoren während des Heizens, des Zündens und des Betriebes der Entladungslampe dadurch sichergestellt wird, daß die Phasenlage des Betriebsstromes ausgewertet und dementsprechend die Frequenz eingestellt wird, die einen sicheren Betrieb der Entladungslampe gewährleistet.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Regelung mittels Zählglieder digital erfolgt und daß der Zählerstand in eine analoge Steuergröße umgewandelt wird.