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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Leistungsstufe mit Oszillator zum Betreiben einer
Entladungslampe. Sie bezieht sich insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf
einen Oszillator zum Ansteuern einer induktiv gekoppelten Entladungslampe
wie beispielsweise einer elektrodenlosen Lampe.
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Eine bekannte elektrische Leistungsstufe
mit Oszillator zum Ansteuern induktiv gekoppelter Lampen ist bereits
zuvor in GB 2,322,019 beschrieben worden und ist dort im wesentlichen
in 1 dargestellt. Obwohl diese
Schaltung sehr effeizient ist, gibt es Bereiche, in denen Verbesserungen
erwünscht
sind, hauptsächlich in
Bezug auf Kosten- und Größenverringerung:
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- 1. Wickelkomponenten: Davon gibt es 4 plus die LampenSpule.
Diese werden alle inidividuell hergestellt, mit Ausnahme möglicherweise
von L1, und verursachen daher erhebliche Kosten und Anforderungen
im Bereich Leiterplatten.
- 2. Die Schaltung muss mit Cadj justiert
werden. Diese Komponente ist relativ teuer verglichen mit einem
festen Kondensator, verursacht Herstellungskosten und unterliegt
Nullpunktverschiebung, insbesondere wenn sie durch Isoliergrund
verunreinigt ist. Es kann eine eventuell übermäßige Alterung eintreten, was
die Lebensdauer der Schal tung verkürzt. Es ist wünschenswert,
den Abstimmkondensator wegzulassen oder statt dessen die Verwendung
eines Trimmpotentiometers zu erlauben, welches weniger kostenaufwendig
ist.
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US
5,519,285 „Elektrodenlose
Entladungslampe" nennt 25 Patent-Veröffentlichungen. Diese Patente beziehen
sich hauptsächlich
auf die elektrodenlose Lampe selbst und Verfahren zur Kopplung von
HF-Energie in das Plasma über
eine mit Außengewinde
versehene Spule oder Spulen.
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Schaltungen für elektrodenlose Entladungslampen
unterscheiden sich etwas von denen für Elektroden-Lampen.
US 5,252,891 beschreibt
eine „ununterbrechbare
Fluoreszenz-Lampen-Schaltung verfügbar für Notbeleuchtungen" bestehend
aus einer Schaltung, welche eine hoch-frequente Hochspannungs-Leistung
erzeugt, und einer Strombegrenzungs-Schaltung, die zur Aktivierung
der Lampe genügend
Hochspannungs-Leistung führen
kann, ohne dass irgendein konventioneller Starter und Stabilisator
verwendet werden muss. Elektrodenlose Lampen müssen über eine externe Spule angesteuert
werden, und – damit
ausreichend Kopplungsenergie in dem Plasma erhalten wird – muss magnetische
Induktion verwendet werden, da elektrische Feldkopplung unpraktikable
Spannungspegel erfordern würde,
um die äquivalente
Energie durch die Lampenhülle
in das Plasma zu koppeln. Wegen einer Frequenzabhängigkeit
ist die Verwendung magnetischer Kopplung unterhalb weniger MHz nicht
zweckmäßig. Geeignete
Kopplungsschaltungen sind am unteren Ende wohl auf etwa 5 MHz begrenzt. Üblich sind
Frequenzen von 10, 13,6 und 27,1 MHz.
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Höhere
Frequenzen (z. B. 2450 MHz) können
verwendet werden, sind jedoch nicht kosteneffektiv für Lampen
in der Größenordnung
von 10 W Leistungs-Pegeln.
US
5,852,339 „Kostengünstige elektrodenlose
Beleuchtung" beschreibt eine Festkörper-2450 MHz-Lampe (vgl. auch
US 4,070,630 ). Bei Elektrodenlampen
und Lampen geringer Effizienz können
Treiberschaltungen bei viel geringeren Frequenzen betrieben werden
entsprechend der üblichen
Praxis bei Schaltnetzteilen, z. B. bis zu etwa 1 MHz (beispielsweise
beschreibt
US 4,712,170 ein
Netzteil für
eine Elektroden-Neonröhre
bei 40 kHz) oder sogar bei Gleichstrom (beispielsweise beschreibt
US 5,675,220 : „Netzteil
für Fahrzeug-Neonlicht"
einen Gleichstrom- Gleichstrom-Wandler unter Verwendung einer Rover-Inverterschaltung
bei 30 kHz zum Ansteuern einer Neon-Lampe, um elektromagnetische
Interferenz-Strahlung von der Lampe zu vermeiden).
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Die prinzipiellen allgemeinen Anforderungen
an eine Treiberschaltung für
eine induktive elektrodenlose Lampen sind daher, wie in GB 2,322,019
beschrieben:
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- 1. Ein Betrieb in (verglichen mit Elektrodenlampen) höhere Frequenz-Größenordnungen
oder mehr.
- 2. Hochfrequenz-Einrichtungen: beispielsweise schnelles Schalten,
schwach verteilte Tor-Widerstands-Leistungs-FETs.
- 3. Die Schaltung muss die reaktive Komponente der Tor-Impedanz bei der
Treiberfrequenz versorgen (dies ist sehr viel wichtiger bei höheren Betriebsfrequenzen).
- 4. In der Rückkopplungsschleife
des Oszillators muss ein geeignetes Phasenverschiebungs-Ansprechen
gegeben sein.
- 5. Die Schaltung muss zum Auslösen der Plasma-Entladung ein
ausreichend großes
elektrisches Feld erzeugen, anschließend einen ausreichend hohen
(jedoch kontrollierte) Strom in der Induktionsspule aufrechterhalten,
um eine induktive Plasma-Entladung zu aufrecht zu erhalten.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird eine Leistungsstufe mit Oszillator vorgesehen, wie in den Ansprüchen beschrieben.
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Ausführungsformen der Erfindung
werden nachfolgend nur beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen
Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
bekannte Schaltungsanordnung;
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2 eine
Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 eine
zur Verwendung bei der Schaltung von 2 geeignete
Kopplungsspule;
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4 die
Anordnung von Komponenten um die Rückkopplungsschleife herum;
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5 eine
andere Kopplungseinrichtung; und
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6 ein
Daughterboard-System für
die Einrichtung von 5.
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Die vorliegende Erfindung eignet
sich zum Ansteuern induktiv gekoppelter Gasentladungslampen mit Luftkern-Spulen,
und auf grund der relativ geringen Induktanz und der Frequenzabhängigkeit
der Kopplung zwischen dem Magnetfeld und Plasma, müssen die
Spulen mit Frequenzen von wenigstens einigen MHz betrieben werden.
Es hat sich herausgestellt, dass eine Frequenz von 9 bis 10 MHz
ein guter Kompromiss ist zwischen dem Spulen-Plasma-Ansprechen, welches
sich mit der Frequenz verbessert, und der Fähigkeit heutiger, mit geringen
Kosten herstellbarer Kondensatoren zur Stromversorgung, die mit
der Frequenz abnimmt.
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Die Schaltung muss die speziellen
Eigenschaften von induktiv gekoppelten Entladungslampen bedienen,
d. h. ein Resonanzkreis muss zum Auslösen der Gasentladung Spannungs-Multiplikation
(Q) in hohem Ausmaß erzeugen
und deshalb von einer Schaltung angesteuert werden, die während des
gesamten HF-Zyklus eine geringe Quellen-Impedanz besitzt, und darf
nicht durch die vorhandenen hohen Spannungen und Ströme beschädigt werden,
und muss ebenfalls fortfahren, wirksam Treiberleistung zu liefern,
wenn der anfängliche „E"-Zustand
in den „H"-Zustand übergeht
(Leistung wird durch Magnetfeld zum effektiven Stromkreislauf in
dem Plasma übertragen),
was zu einem Anstieg an effektivem Verlustwiderstand in dem Lampen-Resonanzkreis
führt.
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Angenommen, dass in irgendeinem Oszillator
eine Rückkopplungsschleife
identifiziert und an irgendeinem Punkt unterbrochen werden kann,
um den Energiestrom zu messen, der von einem Ausgangs-Knotenpunkt
auf einer Seite der Unterbrechung zu einem Eingangs-Knotenpunkt
auf der anderen Seite der Unterbrechung fließt, muss bei jedem Oszillator
die Phasenverschiebung über
das gesamte Netzwerk hinweg null sein (oder n mal 360 Grad, wobei
n eine ganze Zahl ist), und das Ausmaß der Verstärkung muss 1 betragen. Dieses
sind die Barkhausen-Kriterien. Bei prakti schen Schaltungen resultiert
die Einheits-Verstärkung
daraus, dass die Oszillations-Amplitude ansteigt, bis nicht-lineare
Kompression verursacht, dass die Verstärkung auf eins zurückfällt.
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Die in 2 gezeigte
Schaltungsanordnung besitzt eine Rückkopplungsschleife zum Erzeugen
von Selbst-Oszillation.
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Das Diagramm in 3 zeigt die mechanischen Details für die kombinierte
FET-Ausgangs-Kopplungs-Spule, die Lampenspule und Rückkopplungsschleife.
In diesem Fall ist die Rückkopplungsschleife
eine „offene
Schleife" mit weit voneinander beabstandeten hinausführenden
Kabeln.
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4 zeigt
die Anordnung von Bauteilen um die Rückkopplungsschleife herum in
dem experimentellen Prototyp; von der genauen Anordnung dieser Komponenten
kann erwartet werden, dass sie einen Einfluss auf die Funktion der
Schaltung hat, obgleich die Platzierung des 40 mm-Abschnitts, der
der Lampe am nächsten
liegt, der bedeutendste Faktor ist.
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Der Anschluss von Cl, 47pF an L1c
kann sich entweder auf der Seite befinden, die der Drain-Kopplungs-Spule
am nächsten
ist, oder der Seite, die der Rückkopplungsschleife
am nächsten
ist - in jedem Fall wurden sehr ähnliche
Resultate erzielt.
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In der Praxis würde für eine Produktionslampe die
Rückkopplungsschleife
so konstruiert, dass ein selbsttragendes Kabel (1 oder 1,5 mm Durchmesser
Kupferdraht sollte geeignet sein) verwendet wird, mechanisch sicher
angeordnet durch Verlöten
der Enden mit der Leiterplatten-Elektronik und durch Anschließen an den
Spulenkörper
mit einem gegossenen, mit dem Körper
eintückig ausgebildeten
Isolierungs-Clip oder mit einem Kleber wie Silikon-RTV. Alternativ
(wie in 6 gezeigt) kann
eine Daughterboard-Leiterplatte mit einer gedruckten Rückkopplungsschleife
neben der Lampe montiert werden. Die Form der Rückkopplungsschleife oder der
Abstand in axialer Richtung muss eventuell modifiziert werden, falls
es notwendig ist, den Abstand der Rückkopplungsschleife von der
Lampe in radialer Richtung zu vergrößern.
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Eine Funktion ähnlich der bei der „offenen
Schleife" wurde erreicht unter Verwendung einer rechtwinkligen Drahtschleife
von 5 mm mal 30 mm, mit Anschluss über verdrillte Doppelleitung
an die Gate-Schaltung, angeordnet mit 5 mm radialem Abstand von
der Lampe und 9 mm axialem Abstand vom Ende der 12-wickligen Spule.
Hierbei wurde ein einzelner 0,47-Mikrohenry-Induktor verwendet,
wie in 5 gezeigt. Diese
Form ist besser geeignet für
eine Daughterboard-Anordnung und hat den Vorteil, dass der Schleifen-Bereich den sensitiven
Bereich des Magnetfeldes besser definiert, so dass die Schaltung
weniger empfindlich gegenüber Spannungen
sein sollte, die in die Zuleitungen zwischen der Rückkopplungsschleife
und den FET-Toren induziert sind. Diese Form kann ebenfalls mit
einem steifen Kabelrahmen verwendet werden, wo die hinausführenden
Leitungen eine verdrillte Doppelleitung sein können oder eine dicht beabstandete
paralleles Doppelleitung. Eine Rückkopplungsschleife
dieser Form kann ebenfalls in den Spulenkörper selbst integriert werden
als eine Schleife konform mit der Körperfläche. Die Verbindungen zu den
FET-Toren werden - verglichen mit der „offenen Schleife" - umgekehrt,
da sich der „Boden"
der Schleife nun auf der anderen Seite der Lampen-Resonator-Spule
befindet.
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L1a, L1b und L1c (2 und 5)
sind wie folgt gewickelt. L1c besteht aus 12 Umdrehungen von 0,4 mm
Durchmesser mit PTFE bedecktem Kabel, dicht gewickelt auf einer
28,6 mm Durchmesser starken Gasentladungslampen-Umhüllung unter
Verwendung eines Wickelkörpers
(nur für
die experünentelle
Benutzung) aus 100 Mikrometer dicker Azetat-Folie. L1a und L1b sind
jeweils eine Wicklung (d. h. zwei Umdrehungen dicht gewickelt mit
Mittenabgriff) desselben Kabels, positioniert mit einem Spalt zwischen
5 und 6 mm von Ende der Haupt-Lampenspule. Es ist wichtig, die Längen der
Zuleitung zwischen den FET und der Lampenspule zweckmäßiger Weise
so kurz wie möglich
zu halten; bei dem Prototyp waren die Zuleitungen zu den FET-Drains
10 bis 15 mm lang, und der Mittenabgriff hatte eine Länge von
etwa 5 mm in einen „Schweineschwanz"
gedreht, und auf seiner Länge
gelötet
und an zwei 100 nF-Keramik-Kondensatoren angelötet, deren andere Zuleitungen
direkt mit der Grundfläche
verbunden waren. Das Q von L1d ist nicht kritisch.
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L1d ist eine Rückkopplungsschleife mit „halber
Umdrehung", was eine Kabellänge
bedeutet, die sich der Lampen-Hülle
tangential nähert
(eine volle Schleife um die Lampe herum würde zu viel Energie aus der Resonatorschaltung
herauskoppeln).
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Durch Anordnung der Drain-Kopplungs-Spule
und der Rückkopplungsschleife
auf gegenüberliegenden
Seiten der Resonatorspule wird die direkte Kopplung zwischen der
Drain-Kopplungs-Spule und der Rückkopplungsschleife
minimiert. Dies trägt
dazu bei, dass die Oszillation mit der korrekten Frequenz stattfindet, welche
den Strom in der Resonator-Spule maximiert und somit auch die E- und H-Zustands-Kopplung
von der Resonator-Spule in das Lampen-Plasma hinein maximiert.
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Eine Lichtleistung von 23000 Lux
wurde dicht an der Lampe erreicht für einen 44%-Leistungs-Zyklus bei
Vdd = 12,8 V, I(Vdd)ave=1,5 A, und einer Arbeitsfrequenz von 9,48
MHz. Im Vergleich dazu erbrachte die Oszillator/Lampen-Schaltung
gemäß dem Stand
der Technik von GB 2, 322, 019 11960 Lux in dichtem Umkreis für einen
65%-Leistungs-Zyklus bei Vdd = 12, 8 V,
I (Vdd) ave = 1,1A, und Arbeitsfrequenz
von 9,3 MHz. Diese Vorspannung an dem Reibungskontakt von VR1 wurde
eingestellt auf 3,23 V, was zum Starten der Oszillation gerade ausreichend
war. Bei verschiedenen Vorspannungen wurde geringe Änderungen
in der Lichtleistung oder des Stromverbrauchs beobachtet.
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Die Lichtleistung als eine Funktion
der Position der Rückkopplkungsschleife
ist in Tabelle 1 gezeigt (beachte die plötzliche Verschlechterung bei
den weitesten Abständen): TABELLE
1
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Wenn bei einer speziellen mechanischen
Einrichtung einer Rückkopplungsschleife
einer der Abstände variiert
werden kann, und Lichtleistung ähnlich
wie oben gemessen werden kann, dann kann der gewünschte Abstand ausgewählt die
mechanische Konstruktion festgelegt werden.
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Die Erfindung kann die folgenden
potentiellen Vorteile aufweisen:
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- – Keine
Notwendigkeit für
speziell gebaute gewickelte Komponenten oder Abstimm-Kondensatoren.
- – Schnittstellen
zu der gleichen Stromversorgungs-Spannungsschiene
und Impulsbreiten-Modulations-Eingängen wie herkömmliche
Entladungslampen-Schaltungen.
- – Selbstoszillierende
Frequenz wird gesteuert durch Lampenabgestimmte Schaltung und ist
daher toleranter in Bezug auf Nullpunktverschiebung in Komponenten-Werten
mit der Zeit (verglichen mit der Sensitivität der herkömmlichen Schaltung in Bezug
auf Nullpunktverschiebung in dem Gate-Schaltungs-Abstimm-Kondensator Cadj und verwandten gewickelten Komponenten
Ladj und T2).
- – Verringerte
Herstellungskosten.
- – Leichtere
modifikationen für
verschiedene Typen und Größen von
Lampen-Hüllen.
