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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Liefern eines Wechselstroms
mit der Frequenz f an eine Lampe, welche Schaltungsanordnung mit
einem Wechselrichter versehen ist, der Folgendes umfasst:
- – Eingangsklemmen
zum Anschließen
der Schaltungsanordnung an eine Speisespannungsquelle, die eine
Gleichspannung liefert,
- – einen
ersten Zweig, der eine Reihenschaltung aus einem ersten Schaltelement
und einem zweiten Schaltelement enthält,
- – eine
mit jeweiligen Steuerelektroden der Schaltelemente gekoppelte Steuerschaltung,
um die Schaltelemente leitend und nicht leitend zu machen,
- – einen
Lastzweig, der eines der Schaltelemente überbrückt und mit einer Reihenschaltung
aus einem induktiven Element und Klemmen zum Aufnehmen der Lampe
versehen ist.
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Eine
derartige Schaltungsanordnung wird in
EP
0323676 offenbart. In einer derartigen Schaltungsanordnung
kann die von der Lampe aufgenommene Leistung beispielsweise durch
Einstellen der Frequenz f des Steuersignals eingestellt werden.
Ein Nachteil dieser Art des Einstellens der von der Lampe aufgenommenen
Leistung liegt darin, dass der Zusammenhang zwischen der Frequenz
des Steuersignals und der von der Lampe aufgenommenen Leistung nicht über den
gesamten Bereich der von der Lampe aufgenommenen Leistung eindeutig
ist. Insbesondere im Fall einer verhältnismäßig geringen Leistungsaufnahme
durch die Lampe kann dies zu Instabilitäten im Lampenbetrieb führen. Eine
andere Möglichkeit,
die von der Lampe aufgenommene Leistung einzustellen, wie sie in
US-A-5583402 offenbart wird,
ist, die Zeitdauern, in denen die Schaltelemente des Steuersignals
leitend sind, in jeder Periode einzustellen, während die Frequenz des Steuersignals konstant
bleibt. Dies kann symmetrisch ausgeführt werden, was bedeutet, dass
jedes der Schaltelemente während
einer gleichen Zeitdauer in jeder Periode des Steuersignals leitend
ist. Dies kann jedoch auch asymmetrisch ausgeführt werden, was bedeutet, dass
das Zeitintervall, in dem das erste Schaltelement leitend ist, in
jeder Periode des Steuersignals un gleich dem Zeitintervall ist,
in dem das zweite Schaltelement leitend ist. Zusätzlich kann zwischen einer
Situation unterschieden werden, in der eines der Schaltelemente
zu jedem Zeitpunkt in einer Periode des Steuersignals leitend ist
(bis auf das sehr kurze Zeitintervall, in dem das leitende Schaltelement
nicht leitend gemacht wird und das nicht leitende Schaltelement
leitend gemacht wird) und einer Situation, in der es Zeitintervalle
gibt, in denen keines der Schaltelemente leitend ist. In der Praxis
hat sich gezeigt, dass ein asymmetrisches Ansteuern der Schaltelemente
für gewisse
nicht vorhersagbare Werte der von der Lampe aufgenommenen Leistung zu
Instabilitäten
in der Lampe führt.
Wenn die Schaltelemente symmetrisch angesteuert werden, bedeutet
eine Verringerung der Dauer, in der jedes der Schaltelemente in
einer Periode des Steuersignals leitend ist, dass es während jeder
Periode des Steuersignals Zeitintervalle gibt, in denen beide Schaltelemente
nicht leitend sind. Es hat sich gezeigt, dass diese Art des Ansteuerns
der Schaltelemente auch zu Instabilitäten in der Lampe führt, jedoch
sind die Werte der von der Lampe aufgenommenen Leistung vorhersagbar.
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EP-A-641
149 offenbart eine Schaltung zum Betreiben einer Etladungslampe,
in der die Variable zum Steuern der von der Lampe aufgenommenen Leistung
gleich (Tt-Td) ist, wobei Tt die Leitungsdauer eines Transistors
ist und Td die Leitungsdauer der mit ihrem zugehörigen Transistor antiparallel
geschalteten Diode.
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EP-A-435
231 offenbart ein Verfahren zum Erhalten einer linearen Beziehung
zwischen der Variablen zum Steuern der Leistung und dem Leistungspegel,
wobei die Variable zum Steuern der Leistung eine Kombination zwischen
dem Tastgrad und der Frequenz ist.
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WO-A-00
70 921 offenbart eine Vorschaltgeräteschaltung zum Betreiben einer
Entladungslampe, in der der Tastgrad der Transistoren variabel ist
und so gesteuert wird, dass die kumulierte Einschaltdauer des ersten
Transistors im Mittel gleich der kumulierten Einschaltdauer des
zweiten Transistors ist, wodurch die Lampenelektroden in gleicher
Weise wärmebelastet
werden.
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US-A-4
947 079 offenbart eine Notch-Steuerungsschaltung zur Verwendung
in einer Vorschaltgeräteschaltung
für eine
Entladungslampe.
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Der
Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine alternative Schaltungsanordnung
zu schaffen, mit der die von der Lampe aufgenommene Leistung in
einem verhält nismäßig großen Bereich
eingestellt werden kann, ohne dass in der Lampe Instabilitäten auftreten.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art
gemäß der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung beim Betrieb der
Lampe ein Steuersignal mit einer Frequenz f generiert,
- – um
das erste Schaltelement in jeder ersten Halbperiode des Steuersignals
während
eines ersten, eines zweiten bzw. eines dritten Zeitintervalls hintereinander
leitend, nicht leitend und leitend zu machen, wobei das zweite Schaltelement immer
leitend ist, wenn das erste Schaltelement nicht leitend ist, und
nicht leitend, wenn das erste Schaltelement leitend ist, und
- – um
das zweite Schaltelement in jeder zweiten Halbperiode des Steuersignals
während
eines vierten, eines fünften
bzw. eines sechsten Zeitintervalls hintereinander leitend, nicht
leitend und leitend zu machen, wobei das erste Schaltelement immer
leitend ist, wenn das zweite Schaltelement nicht leitend ist, und
nicht leitend, wenn das zweite Schaltelement leitend ist, und
- – dass
die Steuerschaltung weiterhin mit einer Dimmschaltung zum Einstellen
der Dauer des zweiten und des fünften
Zeitintervalls versehen ist.
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Beim
Betrieb einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
macht das Steuersignal die Schaltelemente abwechselnd leitend und
nicht leitend. Während
jeder Halbperiode des Steuersignals hat der Strom in dem Lastzweig
und damit auch der Strom durch die Lampe einen mittleren Wert, der
in einer ersten Polarisationsrichtung gemessen wird. Während jeder
zweiten Halbperiode des Steuersignals hat der Strom in dem Lastzweig
und damit auch der Strom durch die Lampe einen in einer zweiten Polarisationsrichtung
gemessenen mittleren Wert. Daher fließt in dem Lastzweig ein Wechselstrom
mit der Frequenz f. Abgesehen von dem sehr kurzen Zeitintervall,
in dem hintereinander das leitende Schaltelement nicht leitend gemacht
wird und das nicht leitende Schaltelement leitend gemacht wird,
ist zu jedem Zeitpunkt einer Periode des Steuersignals eines der
Schaltelemente leitend. Wenn die Dauer des zweiten Zeitintervalls
und die Dauer des fünften
Zeitintervalls beide gleich null sind, ist die von der Lampe aufgenommene
Leistung maximal und eines der Schaltelemente ist während jeder
Halbperiode des Steuersignals kontinuierlich leitend. Wenn die Dimmschaltung
die Dauer des zweiten Zeitintervalls und die Dauer des fünften Zeitintervalls
auf einen Wert setzt, der nicht gleich null ist, wird die Form der
am Lastzweig anliegenden Spannung so geändert, dass die Amplitude der
Grundharmoni schen dieser Spannung (das Glied mit der Frequenz f)
abnimmt. Daher nimmt auch die von dem Lastzweig aufgenommene Leistung
und die von der Lampe aufgenommene Leistung ab. Die Amplitude der
Grundharmonischen der Spannung am Lastzweig nimmt weiter ab, je
länger
das zweite und das fünfte
Zeitintervall dauern. Daher nimmt auch die von der Lampe aufgenommene
Leistung ab. Die niedrigste Leistungsaufnahme der Lampe kann eingestellt
werden, indem die Dauer sowohl des zweiten Zeitintervalls als auch
des fünften
Zeitintervalls gleich 1/6T gesetzt wird, wobei T die Dauer einer
Periode des Steuersignals ist. Es hat sich gezeigt, dass eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
es möglich
macht, die von der Lampe aufgenommene Leistung in einem verhältnismäßig großen Bereich
einzustellen, ohne dass in der Lampe Instabilitäten entstehen.
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Zufriedenstellende
Ergebnisse sind mit Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
erhalten worden, in der die Dauer des zweiten Zeitintervalls gleich
der Dauer des fünften
Zeitintervalls ist. Das zweite und das fünfte Zeitintervall können, wie
oben beschrieben, in einem Bereich von null bis 1/6T eingestellt
werden, wobei T die Dauer einer Periode des Steuersignals ist. Es
ist jedoch auch möglich,
das zweite und das fünfte
Zeitintervall in einem Bereich von 1/6T bis 1/2T einstellbar zu
machen. Im letztgenannten Fall ist die von der Lampe aufgenommene
Leistung maximal, wenn das zweite und das fünfte Zeitintervall beide eine
Dauer gleich 1/2T haben.
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Bei
einer ersten bevorzugten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
gilt Δt1/Δt3 = 1 und Δt4/Δt6 = 1 für jeden
einstellbaren Wert von Δt2
und Δt5,
wobei Δt1–Δt6 jeweils
die Dauern des ersten bis sechsten Zeitintervalls sind. Da das zweite
und das fünfte
Zeitintervall in der Mitte der ersten Halbperiode bzw. der zweiten Halbperiode
des Steuersignals liegen, können
die Dauern des zweiten und des fünften
Zeitintervalls in einem großen
Bereich eingestellt werden.
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Bei
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ist die Dimmschaltung zusätzlich
mit einem Schaltungsteil FT versehen, um den Zeitpunkt einzustellen,
zu dem in jeder ersten Halbperiode des Steuersignals das zweite
Zeitintervall beginnt, und den Zeitpunkt einzustellen, zu dem in
jeder zweiten Halbperiode des Steuersignals das fünfte Zeitintervall
beginnt. Es hat sich gezeigt, dass bei zuvor bestimmten Dauern des
zweiten Zeitintervalls und des fünften Zeitintervalls
die Leistungsaufnahme der Lampe in geringem Maße von den Zeitpunkten abhängt, in
denen diese Zeitintervalle in aufeinander folgenden Halbperioden
beginnen. Der Schaltungsteil FT ermöglicht daher, dass die Leistungsaufnahme
der Lampe sehr genau eingestellt wird.
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Diese
und andere Aspekte der Erfindung werden anhand der in folgenden
beschriebenen Ausführungsbeispiele
deutlich und sollen darin näher
erläutert
werden.
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Es
zeigen:
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1 schematisch
ein Beispiel für
eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung;
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2 die Form des von einer Steuerschaltung,
die Teil der Schaltungsanordnung von 1 ist, generierten
Steuersignals und
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3 und 4 die
von einer Lampe aufgenommene Leistung, welche Lampe von einer Schaltungsanordnung
nach 1 betrieben wird, als Funktion der Dauern des
zweiten und des fünften Zeitintervalls.
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In 1 bezeichnen
K1 und K2 Klemmen, die an eine Speisespannungsquelle angeschlossen werden
sollen, die eine niederfrequente Wechselspannung liefert. Die Klemmen
K1 und K2 sind mit jeweiligen Eingängen von Gleichrichtermitteln
GM verbunden, die von einer Diodenbrücke gebildet werden. Jeweilige
Ausgänge
der Gleichrichtermittel GM sind mit Eingangsklemmen K5 und K6 verbunden, die
an eine Speisespannungsquelle angeschlossen werden sollen, die eine
Gleichspannung liefert. Die Eingangsklemmen K5 und K6 sind mittels
eines Kondensators C1, der ein Pufferkondensator ist, miteinander
verbunden. Die eine Gleichspannung liefernde Speisespannungsquelle
wird in diesem Beispiel von der Speisespannungsquelle gebildet,
die eine Wechselspannung liefert, den Klemmen K1 und K2, Gleichrichtermitteln
GM und dem Kondensator C1. Der Kondensator C1 wird durch eine Reihenschaltung
aus einem ersten Schaltelement S1 und einem zweiten Schaltelement
S2 überbrückt. Diese
Reihenschaltung bildet in diesem Beispiel einen ersten Zweig. Sc
ist eine Steuerschaltung zum Generieren, beim Betrieb der Lampe,
eines Steuersignals mit der Frequenz f
- – um das
erste Schaltelement in jeder ersten Halbperiode des Steuersignals
während
eines ersten, eines zweiten bzw. eines dritten Zeitintervalls hintereinander
leitend, nicht leitend und leitend zu machen, wobei das zweite Schaltelement immer
leitend ist, wenn das erste Schaltelement nicht leitend ist, und
nicht leitend, wenn das erste Schaltelement leitend ist, und
- – um
das zweite Schaltelement in jeder zweiten Halbperiode des Steuersignals
während
eines vierten, eines fünften
bzw. eines sechsten Zeitintervalls hintereinander leitend, nicht
leitend und leitend zu machen, wobei das erste Schaltelement immer
leitend ist, wenn das zweite Schaltelement nicht leitend ist, und
nicht leitend, wenn das zweite Schaltelement leitend ist. Die Steuerschaltung
Sc ist weiterhin mit einer Dimmschaltung versehen, um die Dauern
des zweiten und des fünften
Zeitintervalls einzustellen, und umfasst ein Schaltungsteil FT zum
Einstellen des Zeitpunktes, zu dem das zweite Zeitintervall innerhalb
jeder ersten Halbperiode des Steuersignals beginnt und zum Einstellen
des Zeitpunktes, zu dem das fünfte
Steuerintervall innerhalb jeder zweiten Halbperiode des Steuersignals
beginnt. Jeweilige Ausgänge
der Steuerschaltung Sc sind mit jeweiligen Steuerelektroden der
Schaltelemente verbunden. Das Schaltelement S2 wird von einem durch
eine Reihenschaltung aus der Spule L, Klemme K3, Kondensator C3,
Klemme K4 und Kondensator C2 gebildeten Lastzweig überbrückt. Die
Klemmen K3 und K4 sind Klemmen zum Aufnehmen einer Lampe. Eine Lampe
La ist an diese Klemmen angeschlossen. Die Spule L bildet in diesem
Beispiel ein induktives Element.
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Die
Funktionsweise des in 1 gezeigten Beispiels ist folgendermaßen. Wenn
die Klemmen K1 und K2 mit den Polen einer Speisespannungsquelle verbunden
sind, die eine niederfrequente Wechselspannung liefert, dann wird
diese niederfrequente Wechselspannung durch die Gleichrichtermittel
GM gleichgerichtet und eine Gleichspannung wird an den Kondensator
C1 und damit auch zwischen die Eingangsklemmen K5 und K6 gelegt.
Die Steuerschaltung Sc generiert ein Steuersignal mit einer Frequenz f,
um jedes der Schaltelemente abwechselnd leitend und nicht leitend
zu machen. Wenn die von der Lampe aufgenommene Leistung maximal
ist, wird das Steuersignal gebildet, wie in 2a angedeutet.
Diese Figur zeigt, dass die Dauer einer Periode des Steuersignals
gleich T ist und dass das Steuersignal während einer Zeitperiode, die
gleich ungefähr
1/2T ist, die Schaltelemente S1 und S2 leitend macht und zu jedem
Zeitpunkt nur eines der Schaltelemente leitend ist. Wenn die Leistungsaufnahme
der Lampe so eingestellt wird, dass sie unter dem maximalen Wert liegt,
ist die Form des Steuersignals so, wie in 2B angedeutet.
Diese Figur zeigt, dass die Periode T des Steuersignals jetzt in
sechs aufeinander folgende Zeitintervalle unterteilt ist, die in 2B als Δt1–Δt6 angedeutet
werden. Während
jedes dieser Zeitintervalle ist eines der Schaltelemente leitend und
das andere Schaltelement nicht leitend. Die Dauer des zweiten und
des fünften
Zeitintervalls kann von einem Benutzer der Schaltungsanordnung zwischen
null und 1/6T gesetzt werden. Die zweite Halbperiode des Steuersignals
ist gleich der invertierten ersten Halbperiode. Während des
zweiten Zeitintervalls Δt2
ist die Spannung an der Reihenschaltung aus der Spule L und der
Lampe La der Spannung an dieser Reihenschaltung während des
ersten Zeitintervalls Δt1
und des dritten Zeitintervalls Δt3
entgegengesetzt. Auch während
des fünften
Zeitintervalls Δt5
ist die Spannung an der Reihenschaltung aus der Spule L und der
Lampe La der Spannung an dieser Reihenschaltung während des
vierten Zeitintervalls Δt4
und des sechsten Zeitintervalls Δt6
entgegengesetzt. Daher nimmt die Amplitude der Grundharmonischen
der Spannung an dem Lastzweig ab. Daher nimmt auch die vom Lastzweig
aufgenommene Leistung und die von einer Lampe aufgenommene Leistung
ab. Durch Erhöhen
der Dauer des zweiten und des fünften
Zeitintervalls auf 1/6T kann die von der Lampe aufgenommene Leistung
verringert werden. Es sei bemerkt, dass, wenn Δt1/Δt3 = 1 ist, Δt4/Δt6 = 1, Δt2 = 1/Δt6 und Δt5 = 1/6T, das Steuersignal
symmetrisch und seine Frequenz = 3 × f ist. Wenn das zweite und
das fünfte
Zeitintervall gleich 1/6T sind, dann ist die von der Lampe aufgenommene
Leistung minimal. Mit anderen Worten, jeder Wert der von der Lampe
aufgenommenen Leistung kann eingestellt werden, wenn das zweite
und das fünfte
Zeitintervall zwischen null und 1/6T eingestellt werden können. Es
ist jedoch auch möglich,
jeden Wert der von der Lampe aufgenommenen Leistung einzustellen,
indem das zweite und das fünfte
Zeitintervall im Bereich 1/6T und 1/2T eingestellt werden.
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Um
die von der Lampe aufgenommene Leistung einzustellen, kann auch
der Schaltungsteil FT genutzt werden, indem der Zeitpunkt gesetzt
wird, zu dem das zweite Zeitintervall in jeder ersten Halbperiode
des Steuersignals beginnt, und der Zeitpunkt gesetzt wird, zu dem
das fünfte
Zeitintervall innerhalb jeder zweiten Halbperiode des Steuersignals
beginnt. Das Vorhandensein des Schaltungsteils FT ermöglicht es,
dass die von der Lampe aufgenommene Leistung genau eingestellt werden
kann.
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Eine
konkrete Ausführungsform
einer Schaltungsanordnung, wie in 1 gezeigt,
wurde verwendet, um eine Niederdruck-Quecksilberdampfentladungslampe
vom Typ DLD (Philips) mit einer Nennleistung von 58 W zu betreiben.
Die Frequenz f des Steuersignals und damit auch des Lampenstroms betrug
56 kHz. Beim Betrieb war die Spannung zwischen den Eingangsklemmen
K5 und K6 ungefähr 410
V. Die Kapazitäten
der Kondensatoren C2 und C3 waren 220 nF bzw. 6800 nF. Die Induktivität der Spule
L1 betrug 1100 mH. Entlang der horizontalen Achse in 3 und 4 ist
die Zeit in Einheiten gleich 0,001T aufgetragen, wobei T gleich
der Dauer einer Periode des Steuersignals ist. Die von der Lampe
aufgenommene Leistung in Watt ist entlang der vertikalen Achse aufgetragen. 3 zeigt
die von der Lampe aufgenommene Leistung als Funktion der Dauern
des zweiten und des fünften
Zeitintervalls. Diese Dauern können über den
gesamten Bereich gleich gewählt
werden. Das zweite Zeitintervall liegt symmetrisch um den Zeitpunkt
T = 1/4T, wobei T gleich der Dauer einer Periode des Steuersignals
ist. Das fünfte
Zeitintervall liegt symmetrisch um den Zeitpunkt T = 3/4T.
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4 zeigt
die von der Lampe aufgenommene Leistung, wenn das zweite Zeitintervall
symmetrisch um den Zeitpunkt T = 0,23T liegt und das fünfte Zeitintervall
um den Zeitpunkt T = 0,73T symmetrisch liegt. Anders gesagt, die
Zeitpunkte, bei denen das zweite und das fünfte Zeitintervall beginnen,
unterscheiden sich von denen für
die Situation, die in 3 gezeigt wird. Davon abgesehen
ist das Steuersignal gleich dem Steuersignal, das die in 3 gezeigten
Ergebnisse ergibt. In 3 sowie in 4 wird
der minimale Wert der Lampenleistung erreicht, wenn sowohl das zweite
als auch das fünfte
Zeitintervall gleich 1/6T sind. Dieser minimale Wert ist jedoch in 4 höher als
in 3. 3 und 4 veranschaulichen,
dass eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
es ermöglicht,
die von der Lampe aufgenommene Leistung in einem sehr großen Bereich
einzustellen. Durch Einstellen des Zeitpunkts, in dem das zweite
Zeitintervall beginnt, und des Zeitpunkts, in dem das fünfte Zeitintervall
beginnt, ist es auch möglich,
die von der Lampe aufgenommene Leistung genau einzustellen.
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2A
- full
power
- volle
Leistung
- first
half circle
- erste
Halbperiode
- second
half circle
- zweite
Halbperiode
-
2B
- dimmed
- gedimmt
-
3, 4
- duty
- Einschaltdauer