DE60006491T2

DE60006491T2 - Digitales lampen-vorschaltgerät

Info

Publication number: DE60006491T2
Application number: DE60006491T
Authority: DE
Inventors: Shenghong Wang; J. Demetri GIANNOPOULOS; T. Ihor WACYK
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1999-12-14
Filing date: 2000-12-05
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2020-12-06
Also published as: DE60006491D1; EP1155598A1; JP2003517711A; US6337544B1; EP1155598B1; CN1340285A; WO2001045473A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Fluoreszenzlampen-Vorschaltgeräte und, im Besonderen, auf einen digitalen Steuerkreis, mit welchem eine reale Lampenleistungsberechnung in Realzeit erreicht werden kann.
Mit analogen Vorschaltgeräten kann ein geringer Kosten- sowie geringer Leistungsverbrauch erreicht werden. Jedoch ist die Leistung eines analogen Vorschaltgeräts auf Grund von Einflüssen parasitärer Komponenten und Geräuschempfindlichkeit in Bezug auf Genauigkeit begrenzt. Darüber hinaus sind ebenfalls die Funktionalität, Flexibilität und Programmierbarkeit des analogen Vorschaltgeräts begrenzt, da für analoge Vorschaltgeräte mehrere Widerstände und Kondensatoren verwendet werden, welche unter Anwendung integrierter Schaltkreis-(IC)-Standardverfahrenstechnik schwer zu integrieren sind. Zudem sind analoge Vorschaltgeräte komplex und umfangreich.
Bei den meisten dimmbaren, hochfrequenten (HF), elektronischen Vorschaltgeräten werden analoge ICs eingesetzt, um verschiedene Operationen von Fluoreszenzlampen zu steuern. Diese Steuerungsoperationen umfassen Vorwärmen, Zündung, Leuchtdauer, Leistungsregelung sowie Dimmung. Für einige elektronische Vorschaltgeräte können zur Steuerung des Betriebs von Fluoreszenzlampen Standard-ZVEs oder Mikrokontroller verwendet werden. Bei diesen Vorschaltgeräten wird die Funktionalität, Flexibilität und Programmierbarkeit wesentlich verbessert. Jedoch kann eine Standard-ZVE auf Grund der Geschwindigkeitsbegrenzung keine Wechselstrom-(AC)-Lampensignale in Realzeit verarbeiten, um die erforderlichen Informationen, wie z.B. die Phase eines Stroms oder einer Spannung, Spitzenstrom oder -spannung, Wirkleistung usw., zu erhalten. Diese Informationen sind für eine dimmbare Vorschaltsteuerung äußerst wichtig. Daher muss diese Art digitaler Vorschaltgeräte mehr Signale abtasten und macht komplizierte Signalzustandsschaltkreise erforderlich, welche schwer zu integrieren sind.
Überdies werden bei serienmäßig gefertigten Mikrokontrollern mit chipinternen Analog-Digital-(A/D)-Umsetzern langsame, chipinterne A/D-Umsetzer eingesetzt, welche zu langsam sind, um den Ausgang eines A/D-Hochgeschwindigkeitsumsetzers zu verarbeiten. Bei langsamen, chipinternen A/D-Umsetzern werden die analogen Eingangs signale extern gefiltert, wodurch zusätzliche, externe Komponenten erforderlich sind. Darüber hinaus werden durch das Filtern nützliche Informationen von dem zugeführten, analogen Signal ausgefiltert, wodurch die Möglichkeiten der Regulierungen – so kann zum Beispiel die reale Lampenleistung nicht reguliert werden – begrenzt sind.
Es ist daher ein, für schnelle A/D-Umsetzer geeigneter Lampensignalprozessor erforderlich, mit welchem die reale Lampenleistungsberechnung in Realzeit eneicht werden kann.
Um die Lampensignalverarbeitung in Realzeit zu erreichen, sieht die vorliegende Erfindung ein spezifisches Steuer-IC für digitale Vorschaltgeräte vor, welches so ausgeführt ist, dass es in Verbindung mit analogen, digitalen Vorschaltgeräten verwendet werden kann. Eine Anordnung dieser An ist aus JP-A-11144887 bekannt.
Der erfinderische, digitale Lampensignalprozessor erfasst Lampenstrom und Lampenspannung in Realzeit. Diese beiden Signale reichen aus, um Informationen, wie z.B. reale Lampenleistungsberechnung, zu erhalten, welche zur Steuerung des Vorschaltbetriebs und zur Fehlererkennung erforderlich sind. Die Erfindung sieht die Messung der Lampenstromphase und Lampenspannungsphase, des Spitzenstroms und der Spitzenspannung sowie die Berechnung des durchschnittlichen Lampenstroms und der durchschnittlichen Lampenspannung vor.
Der erfinderische, digitale Lampensignalprozessor eliminiert den Einfluss eines parasitären Netzkondensators und eines Signalzustandsschaltkreises. Er kann eine schwere Schaltung erkennen und steuern und den Überstrom- und Überspannungsschutz vorsehen. Nach der vorliegenden Erfindung werden Wechselstromsignale direkt verarbeitet, wobei eine einfache und leicht zu integrierende Einchipanordnung möglich ist.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 – einen Installationsplan des elektronischen Vorschaltgeräts mit einem erfinderischen, digitalen Lampensignalprozessor;
2 – einen Installationsplan des erfinderischen, digitalen Lampensignalprozessors.
Das erfinderische, digitale Vorschaltgerät 1 ermöglicht die digitale Lampensignalverarbeitungs-(DLSP)-Technik, um einen AC-Lampenstrom 2 und eine AC-Lampenspannung 3 in Realzeit zu verarbeiten. Obgleich auch andere Ströme als Lampenstrom, z.B. Induktorstrom, oder eine Kombination aus Strömen, z.B. Lampen- und Induk torströme, gleichzeitig durch die DLSP verarbeitet werden können, wird der Einfachheit halber der Begriff Lampenstrom zur Beschreibung sämtlicher Zustände verwendet. Das Vorschaltgerät 1 muss lediglich Lampenstrom- i₁ 2 und Lampenspannungssignale v₁ 3 erfassen, um die Informationen zu erhalten, welche für die Steuerung des Vorschaltbetriebs und zur Fehlererkennung erforderlich sind.
Die erfinderische DLSP kann bei Verwendung zusammen mit der Abtastung von i₁ 2 und v₁ 3 die Steuerung des Lampenspitzenstroms und der Lampenspitzenspannung, der realen Lampenleistung sowie des gleichgerichteten, mittleren Lampenstroms und der gleichgerichteten, mittleren Lampenspannung vorsehen. Die DLSP kann ebenfalls den Zündfehler, den Kondensatormodus und die Lampenpräsenz sowie das Verhältnis von negativem und positivem Lampenstrom bei Ende der Brenndauer der Lampe erkennen.
Des Weiteren sind die Signalzustandsschaltkreise, da das Vorschaltgerät Wechselstromsignale direkt verarbeiten kann, sehr einfach und leicht in einen einzelnen Chip zu integrieren. Daher werden Kosten, Größe und Bauelementanzahl bei dem erfinderischen Vorschaltgerät signifikant reduziert.
1 zeigt den erfinderischen, digitalen Niederspannungs-Lampensignalverarbeitungsschaltkreis 20 in einem Vorschaltgerät 1 mit einem schnellen A/D Umsetzer 23 zur Überabtastung, z.B. 32X Überabtastung. Von einer Leistungsstufe 5 können analoge Eingangssignale, z.B. Lampenspannung 3, Lampenstrom 2, Halbbrückenleistungsschalterstrom 4, empfangen werden. Digitale Ausgangssignale des A/D-Umsetzers 23 werden dem DLSP-Schaltkreis 20 zugeführt, welcher auf einer Pro-Zyklus-Basis durch Vervielfachen sowie Mitteln der beiden analogen Eingangssignale 2,3 die Leistung und einen Mittelwert jedes Eingangssignals berechnet. Der DLSP-Schaltkreis 20 richtet außerdem die von dem A/D-Umsetzers empfangenen Eingangssignale gleich, berechnet im Anschluss daran die Mittelwerte der gleichgerichteten Eingangssignale und deren Spitzenwerte und erfasst Phasen der beiden Eingangssignale.
Der Impulsbreitenmodulations-(PWM)-Schaltkreis 31 erzeugt Ausgangssignale 6. Die Frequenz und Schaltfolge der PWM-Signale sind von dem Ergebnis von, in dem DLSP-Schaltkreis 20 durchgeführten Operationen abhängig. Durch Verändern der Frequenz/Schaltfolge der PWM-Signale kann die Lampenleistung bzw. der Lampenstrom auf einem bestimmten Niveau geregelt werden.
Die von dem PWM-Schaltkreis 31 erzeugten Signale G₁, G₂, G_E1, G_E2 6 werden von einem integrierten Schaltkreis für niedrige Spannungen mit einer Spannung von 3,3 V oder weniger produziert und sind auf ein Grundniveau bezogen. Die Pegelumsetzer 8 können zur Durchführung der Pegelumsetzung von Signalen 6 eingesetzt werden, bevor diese den Gates der Leistungsschalter T₁, T₂, T_1E, T_E2 7 zugeführt werden können, um den EIN/AUS-Zustand dieser Schalter zu steuern.
Die Regeleinrichtung 9 erzeugt von der Ausgangsspannung des Pre-Conditioner-Leistungsfaktorverbesserungs-(PFC)-Schaltkreises 12 die Versorgungsspannung, d.h. 3,3 V oder weniger, für den integrierten Schaltkreis 10 für niedrige Spannungen sowie die Versorgungsspannung, d.h. 12 V oder höher, für den integrierten Schaltkreis 11 für hohe Spannungen. Der Schaltkreis 13 zur Grundzustandseinstellung bei Wiedereinschaltung des Stroms (POR) erzeugt einen Rücksetzimpuls, welcher einem Rücksetzpin des integrierten Schaltkreises 10 für niedrige Spannungen zugeführt werden kann, wenn beide integrierte Schaltkreise 10, 11 eingeschaltet werden.
Die Mikrosteuereinheit (MCU) 14 kann zur Einstellung der folgenden Funktionen und Parameter eingesetzt werden:

1. Folge des Vorschaltbetriebs, z.B. Elektrodenerwärmung, Zündung, Lampenausgangsregulierung;
2. Betriebsmodus, z.B. symmetrische PWM oder asymmetrische PWM, Frequenzverschiebung oder PWM-Steuerung;
3. Elektrodenvorheizperiode;
4. langsame Signalverarbeitung, z.B. Filterung zum Ausgleich der Rückkopplungsschleife; sowie
5. langsamer Schutz, z.B. Erkennung des Endes der Brenndauer der Lampe.

2 zeigt den erfinderischen DLSP-Schaltkreis 20 mit einem digitalen Subtraktionsschaltkreis 21, welcher eingesetzt wird, um Datenabtaststrom 2 und Spannungssignale 3 von einem A/D-Hochgeschwindigkeitsstromrichterkreis (ADC) 23 zu empfangen und die durch Analogdatenabtastung hervorgerufene Verschiebung aufzuheben. Durch eine Änderung des Verschiebungswertes kann der DLSP-Schaltkreis 20 Daten mit und ohne Vorzeichen verarbeiten. Der digitale Subtraktionsschaltkreis 21 kann ebenfalls eingesetzt werden, um einen Spitzenwert von Lampenstrom 2 und Lampenspannung 3, welcher zum Überspannungsschutz, Schaltregelung bei Betrieb mit hohem und niedrigem Strom und Spannung usw. verwendet wird, zu ermitteln.
Es können First In First Out-(FIFO)-(32 × 8)-Puffer 22 eingesetzt werden, um Daten des abgetasteten Stroms und der abgetasteten Spannung zu speichern. Der Gebrauch von FIFO-Puffern 22 macht es nicht erforderlich, mehr als einen ADC-Schaltkreis 23, welcher der kostenaufwendigste Teil des in das erfinderische Vorschaltgerät zu integrierenden Schaltkreises ist, zu verwenden. Die FIFO-Puffer 22 können unter Verwendung von DRAMs, SRAMs oder Flipflop-Transistoren integriert werden. Ein digitaler Vervielfacherkreis 24 kann an die FIFO-Puffer 22 angeschlossen und dazu verwendet werden, die dort gespeicherten Lampenstrom- und Lampenspannungswerte zu vervielfachen, um die zur Vorschaltregelung eingesetzte, dynamische Lampenleistung zu erhalten.
Ein digitaler Schaltkreis 25 dient zur Mittelwertbestimmung, um die durchschnittliche Lampenleistung zu berechnen und die Ergebnisse den Leistungsregistern 26 zuzuführen. Der DLSP-Schaltkreis kann ebenfalls gesteuert werden, um die Informationen des mittleren Stroms und der mittleren Spannung zu berechnen, welche zum Betrieb des digitalen Vorschaltgeräts sehr wichtig sind. Ein logischer Steuerkreis 27 wird zur Erzeugung der Steuersignale, wie z.B. Groß-/Kleinsignalschaltung (LS_S) 28, ADC-Takt und Strom-/Spannungsschaltung (IV_S) 30, eingesetzt.

Obgleich die Erfindung im Besonderen im Hinblick auf exemplarische und bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben und dargestellt wurde, liegt es für Fachkundige auf der Hand, dass weitere Änderungen in Form und Details vorgenommen werden können, ohne dabei von dem Umfang und Wesen der Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, abzuweichen. Infolgedessen ist die Offenbarung lediglich beispielhaft und nicht einschränkend. Inschrift der Zeichnung:

FIG. 1
AC-DC CONVERTER	AC-DC-NANDLER
DC-AC CONVERTER	WECHSELRICHTER
REGULATOR	REGLER
LEVEL SHIFTER	PEGELUMSETZER
FIG. 2
SYSTEM CLOCK	SYSTEMAKT
DATA	DATEN
CONTROL	STEUERUNG
CONTROL CIRCUIT	STEUERKREIS
READY	BEREIT
LOCAL BUS	INTERNBUS

Claims

Vorschaltgerät mit einem digitalen Lampensignalprozessor (20) zur Betriebssteuerung und Fehlererkennung des Vorschaltgeräts, wobei der Prozessor aufweist: einen digitalen Subtraktionsschaltkreis (21), um Abtaststromsignale (2) und Abtastspannungssignale (3) zu empfangen; mindestens einen Puffer (22), um die Abtaststromsignale (2) und Abtastspannungssignale (3) zu speichern; einen, mit jedem Puffer (22) verbundenen, digitalen Vervielfacherkreis (24) zum Vervielfachen der Abtaststromsignale (2) und der Abtastspannungssignale (3), um eine dynamische Lampenleistung vorzusehen; eine große Anzahl Register (26), gekennzeichnet durch: einen Schaltkreis (25) zur Mittelwertbestimmung, um eine mittlere Lampenleistung zu berechnen und die berechnete, mittlere Lampenleistung in den Registern zu speichern; sowie einen logischen Steuerkreis (27) zur Erzeugung von Steuersignalen (28, 30), wobei der Signalprozessor (20) einen Lampenstrom auf einer Pro-Zyklus-Basis durch Vervielfachen sowie Mitteln der analogen Lampenstromeingangssignale (2) und Lampenspannungssignale (3) sowie einen Mittelwert jedes Eingangssignals berechnet.
Vorschaltgerät nach Anspruch 1, welches weiterhin einen A/D-Hochgeschwindigkeitsstromrichterkreis (23) aufweist, um die Abtaststromsignale (2) und die Abtastspannungssignale (3) abzugeben.
Vorschaltgerät nach Anspruch 2, wobei der digitale Subtraktionsschaltkreis (21) eine durch eine Analogdatenabtastung hervorgerufene Verschiebung aufhebt, damit der Prozessor (20) Daten mit und ohne Vorzeichen verarbeiten kann.
Vorschaltgerät nach Anspruch 3, wobei der digitale Subtraktionsschaltkreis (21) eingesetzt wird, um Spitzenwerte des Stromsignals (2) sowie des Spannungssignals (3) zu ermitteln.
Vorschaltgerät nach Anspruch 4, wobei die Spitzenwerte zum Überspannungsschutz, zur Schaltregelung bei Betrieb mit hohem und niedrigem Strom und Spannung verwendet werden.
Vorschaltgerät nach Anspruch 5, wobei der logische Steuerkreis (27) weiterhin ein großes bis kleines Schaltsignal (28) sowie ein Strom- und Spannungsschaltsignal (30) erzeugt.
Vorschaltgerät nach Anspruch 6, wobei der Prozessor (20) die Steuerung eines Lampenspitzenstroms (2) und einer Lampenspitzenspannung (3), der realen Lampenleistung sowie des gleichgerichteten, mittleren Lampenstroms und der gleichgerichteten, mittleren Lampenspannung vorsieht.
Vorschaltgerät nach Anspruch 1, wobei die Lampenleistung und der Lampenstrom durch Verändern der Frequenz/Schaltfolge der Ausgangssignale des Impulsbreitenmodulationsschaltkreises auf einem bestimmten Niveau geregelt werden.