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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Anordnung in Verbindung mit einer Entladungslampe, die Anordnung
umfassend ein elektronisches Vorschaltgerät zum Entzünden und Brennen der Entladungslampe
und eine Spannungssteuerungsvorrichtung, die geeignet ist, die Versorgungsspannung
des Vorschaltgeräts
zu modifizieren und ein Leistungssteuerungssignal in die Versorgungsspannung
einzuschließen.
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Die Helligkeit von Glühlampen
kann gesteuert, d.h. gedimmt werden, indem einfach die Betriebspannung,
mit der sie versorgt wird, verstellt wird. Bei Wechselstromanordnungen
wird der quadratische Mittelwert der Spannung mit einer Methode
gesteuert, die als Begrenzersteuerung bezeichnet wird. Bei der Begrenzersteuerung
wird ein Thyristor oder eine andere Halbleiterkomponente nur für einen
Teil der Dauer einer Halbperiode der Spannung leitend gemacht. In
der Praxis wird dementsprechend ein Teil einer Sinuswelle der Netzspannung
abgeschnitten. Die Verstellung erfolgt somit durch die Steuerung
des Zündwinkels
der Halbleiterkomponente in der Halbperiode.
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Bei Gleichstromanordnungen wird gepulster, d.
h. impulsdauermodulierter (PDM) Gleichstrom verwendet, um einen
guten Wirkungsgrad der Steuerungsvorrichtung beizubehalten. Ein
Mittelwert des gepulsten Gleichstroms wird dann nach Maßgabe eines
Impulsverhältnisses
gebildet, d. h. ein Impulsverhältnis
von 50 entspricht etwa einem Spannungswert von 50 %. Wenn die Impulsfrequenz
ausreichend hoch ist (zum Beispiel 50 Hz), nimmt das menschliche
Auge Licht als flackerfrei wahr. Dies ist auf die Langsamkeit des
Auges und die thermisch wirksame Masse eines Glühfadens zurückzuführen, die für eine langsame Änderung
der Temperatur des Glühfadens sorgt.
Bei Steuerungsanordnungen für
Glühlampen kann
die Steuerung von der Glühlampe
getrennt angeordnet sein, üblicherweise
ist sie in Verbindung mit einem Lichtschalter installiert.
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Bei einer Leuchtstofflampenanordnung
oder anderen Entladungslampen ist die Steuerung erheblich komplexer,
da eine Leuchtstoffröhre
getrennte Stromzuführungen
für die
Röhrenspannung
und die Heizspannungen benötigt,
wenn ein modernes elektronisches Vorschaltgerät benutzt wird. Daher erfordert
die Leuchtstoffröhre
ein getrenntes Vorschaltgerät,
das in Verbindung mit der Leuchtstoffröhre positioniert ist. Das Vorschaltgerät versorgt
die Kathoden, d. h. die Heizfäden,
der Leuchtstoffröhre
mit einer eigenen Spannung und die Röhre mit einer eigenen Spannung.
Wenn das Licht verstellt wird, werden die Röhrenspannung oder der Röhrenstrom
und die Heizspannung getrennt voneinander gesteuert. Aus funktionalen
Gründen
kann die Steuerung nicht in Verbindung mit einer Lampe positioniert
werden, da Lampen häufig
an Orten installiert sind, die schwer zu erreichen sind, etwa an
einer Decke. Daher muß die Steuerung
an einem Ort positioniert werden, von dem aus die Beleuchtung üblicherweise
gesteuert wird. In diesem Fall ist zusätzlich zu den Stromzuführungsleitungen
ebenfalls eine getrennte Steuerleitung oder ein Zweileiterkabel
zum Vorschaltgerät
für das
Steuern notwendig. Diese Notwendigkeit mehrerer Kabel ist unpraktisch und
erschwert die Installation einer Steuerungslösung im Austausch für eine Lampe,
die nach dem normalen Prinzip arbeitet.
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Eine verstellbare Beleuchtung, die
mit Leuchtstoffröhre
realisiert wird, wäre
an verschiedenen Orten ideal, sowohl hinsichtlich des Energieverbrauchs
als auch hinsichtlich der Benutzerfreundlichkeit. Die Farbwiedergabeeigenschaften
des Lichts, das von Leuchtstoffröhren
erzeugt wird, sind unvergleichlich besser als bei einer Beleuchtung
mit Hilfe herkömmlicher
Glühlampen.
Typischerweise können Leuchtstoffröhren für verstellbare
Beleuchtung zum Beispiel in Auditorien, Versammlungsräumen, Theatern
und öffentlichen
Verkehrsmitteln eingesetzt werden. Außerdem kann verstellbare Beleuchtung
eingesetzt werden, um Wohngebäude
erheblich behaglicher, praktischer und einstellbarer zu machen.
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In der US-Patentveröffentlichung
5,107,184 wird ein System zum Dimmen einer Leuchtstoffröhre offenbart.
In dieser Veröffentlichung
werden die Daten für
das Dimmen innerhalb der Wellenform der Versorgungsspannung codiert,
wobei eine Stromzuführungsunterbrechungs-Codierung
verwendet wird. Hierbei werden die Daten dadurch codiert, daß der Stromfluß zum Vorschaltgerät in einer
festgelegten Reihenfolge unterbrochen wird. Das in der Veröffentlichung
beschriebene System kann nur in Verbindung mit Wechselstrom verwendet
werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist eine Anordnung, die die vorgenannten Nachteile überwindet
und die Steuerung des Helligkeitsgrads einer Leuchtstoffröhre unter
Verwendung eines einfachen Apparats ohne getrennte Leitungen für die Steuerung
ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Anordnung erreicht, die
dadurch gekennzeichnet ist, daß die
Spannungssteuerungsvorrichtung geeignet ist, die Grundfrequenzimpulsform
der Versorgungsspannung des Vorschaltgeräts zu so modifizieren, daß die Versorgungsspannung
Daten über
die Leistungssteuerung enthält,
und daß die
Anordnung weiter einen Leistungsfilter und einen Steuerungsfilter
zum Herauslösen
des Leistungssteuerungssignals aus der Versorgungsspannung umfaßt, wobei
das Vorschaltgerät
auf das Leistungssteuerungssignal reagiert, um den Helligkeitsgrad
einer Leuchtstoffröhre
zu steuern.
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Die erfindungsgemäße Anordnung beruht auf dem
Gedanken, daß eine
Spannungssteuerungsvorrichtung, etwa eine Steuerung, die eine Begrenzersteuerung
realisiert, verwendet wird, um die Versorgungsspannung auf eine ähnliche
Weise zu modifizieren wie in Verbindung mit einer Glühlampe.
Aus der gepulsten Spannung wird dann mit einem getrennten Steuerungsfilter
ein Leistungssteuerungssignal herausgelöst, und auf der Grundlage des
Signals wird ein Vorschaltgerät
eingesetzt, um den gewünschten
Strom an die Leuchtstöffröhre weiterzuleiten,
um die Leuchtstoffröhre
mit einem gewünschten Helligkeitsgrad
brennen zu lassen. Die Anordnung macht es möglich, daß die Leuchtstoffröhre ohne eine
zusätzliches
Steuerleitung oder ein Zweileiterkabel gesteuert wird, und ermöglicht eine
einfache Steuerung zur Verstellung der Helligkeit, wie sie zuvor
nur in Verbindung mit Glühlampen
möglich
war.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird nachfolgend näher in Verbindung
mit bevorzugten Ausführungsformen
und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
In diesen Zeichnungen zeigt:
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1 eine
erfindungsgemäße Anordnung
in Verbindung mit einer Gleichstromanordnung;
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2 die
erfindungsgemäße Anordnung
in Verbindung mit einer Wechselstromanordnung und
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3 die
grundlegenden Versorgungsspannungs-Wellenformen von Gleich- und
Wechselstromanordnungen
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nachfolgend wird die Anordnung beispielhaft in
Verbindung mit einer Leuchtstoffröhre beschrieben, aber es versteht
sich, daß die
Erfindung ebenfalls in Verbindung mit anderen Entladungslampen angewendet
werden kann. 1 zeigt,
wie eine erfindungsgemäße Anordnung
in Verbindung mit einer Gleichstromanordnung verwirklicht wird.
Eine Lampe brennt mit Hilfe eines Gleichstroms, der in eine gepulste
Versorgungsspannung Uin gewandelt wird. Erfindungsgemäß umfaßt die Anordnung
eine Spannungssteuerungsvorrichtung. In Verbindung mit der vorliegenden
Erfindung betrifft eine Spannungssteuerungsvorrichtung eine Vorrichtung,
die zum Beispiel manuell oder automatisch nach einem festgelegten Programm
betätigt
wird. Mit anderen Worten, die Spannung wird gesteuert, um ein gewünschtes
Beleuchtungsniveau zu erreichen. In Verbindung mit einer Gleichstromanordnung
ist die Spannungssteuerungsvorrichtung typischerweise ein Impulsmodulator
(in der Figur nicht abgebildet).
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In 1 wird
Gleichstrom mit einem bekannten Modulationsverfahren, wie der Impulsdauermodulation
(PDM), gepulst. Erfindungsgemäß wird Modulation
benutzt, um ein Leistungssteuerungssignal zu erzeugen, das die Helligkeit
der Beleuchtung beeinflußt,
wobei das Signal in dem elektrischen Strom enthalten ist, der an
das Vorschaltgerät
der Leuchtstoffröhre
fließen
soll. Der Gleichstrom wird in Verbindung mit einem Apparat zur Steuerung
der Helligkeit der Lampe moduliert.
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Die Impulsdauermodulation erfolgt
zum Beispiel durch den Vergleich einer Dreieckswelle mit dem zu
steuerten Gleichstrom und durch Kopplung, mit Hilfe einer Schaltkomponente,
einer Spannung mit der Last, wenn die Dreieckswelle niedriger ist
als der zu steuernde Gleichstrom, und im entgegengesetzten Fall,
durch Abkopplung der Spannung von der Last. Werden die Amplitude
der Dreieckswelle und die Variationsbreite des zu steuernden Gleichstroms
als in der Größe gleich
eingestellt, entsteht ein Modulationsbereich über volle 100 %. Das der Last
zugeführte
Impulsverhältnis
kann somit beeinflußt
werden, indem der genannte Gleichspannungspegel verstellt wird.
Leuchtstoffröhrenanordnungen mit
Gleichstrombetrieb werden zum Beispiel für die Beleuchtung von Bussen
oder anderen Niederspannungsaufgaben eingesetzt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung umfaßt ebenfalls
einen Steuerungsfilter 1 zum Herauslösen eines Leistungssteuerungssignals
p aus der Versorgungsspannung. In der Ausführungsform von 1 ist der Steuerungsfilter 1 zum
Beispiel ein Tiefpaßfilter,
der ein PDM-Signal
filtert und in Form eines entsprechenden Gleichstrompegel ausgibt.
Dieser Spannungspegel kann entsprechend skaliert werden, so daß er direkt
als Leistungssteuerungssignal dient. Da die Amplitude der Gleichspannung
schwanken kann und damit ein unerwünschter Effekt auf den gebildeten
Gleichspannungspegel ausgeübt
werden kann, ist es daher vorzuziehen, eine Begrenzerschaltung für die Amplitude
vor dem Steuerungsfilter 1 anzukoppeln. Die Amplitude einer
Impulssequenz, die an den Steuerungsfilter weitergeleitet wird,
ist damit gleichbleibend, und der so erzeugte tiefpaßgefilterte Spannungspegel
entspricht präzise
einem Zielpegel, der in Form von Impulsen in der Versorgungsspannung
codiert ist. Dies resultiert in einer besonders präzisen Verstellung.
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Eine zweite Ausführungsform zur Trennung eines
Leistungssteuerungssignals im Steuerungsfilter sieht vor, digital
die Ein-/Aus-Zeiten
der Impulse zu zählen
und ein aktuelles Steuerungssignal auf der Grundlage dieser Zeitdauern
zu erzeugen. Jedoch ist dies erheblich aufwendiger umzusetzen als
die vorbeschriebene analoge Methode. 3 zeigt
die grundlegenden Versorgungsspannungs-Wellenformen von Gleichstromanordnungen
(DC) und Wechselstromanordnungen (AC). Die Gleichstrom-Wellenform
ist ein PDM-Signal bei dem die Ein- und Aus-Zeiten angegeben sind.
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Die in 1 gezeigte
Ausführungsform zeigt,
wie das Steuerungssignal p von dem PDM-Signal mit Hilfe des Steuerungsfilters 1 getrennt
wird, während
die Versorgungsspannung an ein Leistungsfilterteil 2 weitergeleitet
wird. In der einfachsten Form umfaßt das Leistungsfilterteil 2 eine
Kombination aus einer Diode und einem Kondensator, die einen Tiefpaßfilter
für die
zu liefernde impulsähnliche Spannung
bildet. Der Kondensator wird bis zu einer Spannung geladen, die
dem Spitzenwert der Impulsspannung entspricht, und er funktioniert
als Energiespeicher für
das eigentliche Stromzuführungsteil
des Vorschaltgeräts.
Die Diode hat die Aufgabe einer Sperrstromdiode, um zu verhindern,
daß das PDM-Signal
gestört
wird.
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Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform wird die Versorgungsspannung
Uin mit Hilfe der erfindungsgemäßen Spannungssteuerungsvorrichtung direkt
aus der sinusähnlichen
Spannung erzeugt. Im typischsten Fall ist eine solche sinusähnliche
Spannung die Netzspannung. Die Spannungssteuerungsvorrichtung arbeitet
mit Wechselstrom, d. h. im Fall von 2 ist
die Vorrichtung eine normale Begrenzersteuerung. Begrenzersteuerungen
werden generell zum Dimmen von Glühlampen verwendet. Eine Begrenzersteuerung
kann für
das Entfernen eines Teils einer gewünschten Größe aus den anfänglichen
Teilen der Halbperioden der sinusähnlichen Spannung eingesetzt
werden, und durch Änderung
des Zündwinkels
kann der quadratische Mittelwert der Versorgungsspannung geändert werden.
Wie bereits erwähnt,
zeigt 3 die Wellenform
für eine
Wechselstromanordnung. Die Wellenform (AC) ist eine sinusähnliche
Welle, bei der Abschnitte durch eine Begrenzersteuerung entfernt
wurden.
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Bei der Wechselstromanordnung wird
unter Verwendung eines Steuerungsfilters ein Steuerungssignal aus
der Versorgungsspannung Uin auf ähnliche
Weise herausgelöst
wie sie bei der Gleichstromanordnung verwendet wird. Die Zeiten
der Zündung
der Halbperioden der sinusähnlichen
Spannung dienen somit als die Regelgröße in der Versorgungsspannung.
Diese Zeitpunkte können
aus der Kurvenform zum Beispiel mit Hilfe einer Kombination aus
einer einfachen Komparatorschaltung und einer Zählerschaltung ermittelt werden.
Ein Komparator wird eingesetzt, um die Zeit der Zündung eines
Impulses zu erkennen, und dieser Zeitpunkt wird zum Beispiel mit
dem Nullpunkt der Sinusspannung verglichen. Der Zeitpunkt der Zündung bestimmt
damit eindeutig den Pegel eines Steuerungssignals, das vom Steuerungsfilter
zu übermitteln
ist.
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Das Leistungsfilterteil 2 der
Wechselstromanordnung, die in 2 abgebildet
ist, unterscheidet sich vom Leistungsfilterteil der Gleichstromanordnung
dadurch, daß in
Verbindung mit der Wechselstromanordnung die Versorgungsspannung
Uin zum Beispiel mit Hilfe einer üblichen Diodengleichrichterbrücke gleichgerichtet
ist. Nach der Gleichrichtung lädt
die Spannung den Kondensator bis auf einen Spitzenwert der gleichgerichteten
Spannung.
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Neben dem Filtern des Steuerungssignals hat
der Steuerungsfilter die Aufgabe, das Steuerungssignal p an einen
Gleichstrom-Wechselstrom-Umformer 3 des Vorschaltgeräts zu leiten.
Dieser Umformer wandelt die Gleichspannung, die im Kondensator geladen
ist, in Wechselspannung um und adaptiert selbst die Spannung entsprechend
einer Leuchtstoffröhre 4.
Typischerweise erzeugen elektronische Vorschaltgeräte eine
Spannung mit einer Frequenz zwischen 20 und 100 kHz für eine Lampe,
und führen
entsprechende Wechselströme
sowohl zu den Kathoden der Röhre
als auch zur Röhre selbst.
In 1 und 2 wird Strom in die Lampen im
Lampenschaltkreis über
eine induktive Kopplung unter Einsatz einer Transformatorkupplung
eingespeist.
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In seiner einfachsten Form ist das
vom Steuerungsfilter 1 übermittelte
Steuerungssignal p ein Spannungspegel, der zum Beispiel von 1 bis
10 Volt variieren kann. Dieser Spannungspegel wird im Vorschaltgerät dann auf
eine in sich bekannte Weise ausgewertet, und ein Gleichstrom-Wechselstrom-Umformer
vom Typ eines Gleichstromstellers wandelt seine Modulation aufgrund
des Signals um, um entsprechende Spannungen für den Lampenschaltreis sowohl
für die
Kathoden als auch für
die Röhre
zu erzeugen, wodurch die von der Röhre erzeugte Leuchtkraft gesteuert
wird. Eine solche Ausführungsform,
die auf das Spannungssignal reagiert, ist in sich von Lösungen bekannt,
bei denen ein getrenntes Steuerungssignal über eine getrennte Steuerungsleitung
an das Vorschaltgerät übermittelt
wird.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung umfaßt
das Leistungsfilterteil einen Gleichstromstellerkreis zur Korrektur
eines Leistungsfaktors. Ein derartiger Gleichstromstellerkreis wird üblicherweise
für die
Korrektur des Leistungsfaktors von mit Wechselstrom betriebenen
Geräten verwendet,
und er kann sowohl in Verbindung mit der Ausführungsform nach 1 als auch in Verbindung mit
der Ausführungsform
nach 2 verwendet werden.
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Es ist darauf hinzuweisen, daß obwohl
in den Figuren und in der Beschreibung die Anordnung als getrennte
Funktionsblöcke
offenbart wurden, alle für die
Realisierung erforderlichen Schaltkreise, ausgenommen die Spannungssteuerungsvorrichtung,
in Verbindung mit der Leuchtstoffröhre positioniert und mit deren
Vorschaltgerät
gekoppelt sind.
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Wenn die Funktion eines Steuerstromkreises so
realisiert wird, daß eine
geringe Impulsdauer eine entsprechend geringe Helligkeit ergibt,
womit auch der Energieverbrauch gering ist, kann eine ausreichend
gute Filterung entsprechend mit einer kleineren Filtereinheit in
der Stromzuführungseinheit
erreicht werden. Bei einer solchen Anordnung können die Dimmungssteuerung
und Stromzuführung
in einem Leistungsbereich von sogar 5 bis 100 % erreicht werden,
wobei die Impulsdauersteuerung entsprechend von 5 bis 100 % reicht.
In der Praxis bedeutet dies, daß bei
abnehmender Impulsdauer die Filterkapazität eines Filterkreislaufs im
selben Verhältnis
erhöht
werden muß.
Es ist daher vernünftiger,
einen engeren Impulsdauerbereich zu verwenden, wodurch ein kleineres
und vorteilhafteres Leistungsfilterteil möglich ist. In der Praxis funktioniert
die obengenannte Anordnung gut in einem Impulsdauerbereich von 50
bis 100 %, denn bei geringer Impulsdauer ist auch der Energieverbrauch
gering. Jedoch kann das Steuerungsteil und sein Zähler so
eingestellt werden, daß der
gesamte Steuerungsbereich verwendet werden kann. In einem solchen
Fall entspricht zum Beispiel eine Impulsdauer von 50 % einem Helligkeitsgrad
von 5 %, und entsprechend entspricht eine Impulsdauer von 100 %
einem Helligkeitsgrad von 100 %. Die Bewegung zwischen diesen beiden
Extremen kann natürlich
linear realisiert werden. Die Beschränkung der Impulsdauer auf einen Mindestwert
von 50 % bedeutet somit, daß die
Spannungssteuerungsvorrichtung Impulse zwischen 50 und 100 erzeugt.
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Für
den Fachkundigen ist offensichtlich, daß der Grundgedanke der Erfindung
im Zuge des technischen Fortschritts auf viele verschiedene Arten
realisiert werden kann. Die Erfindung und ihre Ausführungsformen
sind somit nicht auf die vorbeschriebenen Beispiele beschränkt, sondern
können
im Rahmen der Ansprüche
variieren.