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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer
Hochdruck-Entladungslampe mit aufeinander folgenden Stromphasen,
welche Schaltungsanordnung mit Mitteln zum Betreiben der angeschlossenen
Lampe mittels eines Dimmsignals Ds in einem Dimmzustand versehen
ist, wobei die Schaltungsanordnung umfasst:
- – Eingangsklemmen
zum Anschließen
der Schaltungsanordnung an eine Speisequelle,
- – Ausgangsklemmen
zum Anschließen
der zu betreibenden Lampe,
- – ein
Schaltnetzteil (SMPS: switch-mode power supply) mit einem Wandler,
versehen mit einem Halbleiterschalter zum Erzeugen, an einem Wandlerausgang,
einer Wandlerausgangsspannung an Pufferkondensatormitteln und eines Wandlerausgangsstroms,
und
- – eine
Steuerschaltung zum Generieren eines Steuersignals in Abhängigkeit
von dem Dimmsignal zum Steuern des Halbleiterschalters.
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Eine
Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art ist aus
US 5828178 bekannt. Im Allgemeinen
werden Hochdruck-Entladungslampen unter Verwendung aufeinander folgender
Stromphasen von periodisch abwechselnder Polarität betrieben. Bei einer häufig angewendeten
Struktur der Schaltungsanordnung ist der Wandler hierzu mit einem Kommutator
verbunden, beispielsweise in Form einer Brückenschaltung.
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Bei
der bekannten Schaltungsanordnung ist zum Detektieren von von der
Lampe erzeugtem Licht ein optischer Sensor vorgesehen. Dies ermöglicht es,
eine Steuerung zum Dimmen der Lampe zu realisieren.
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Das
bekannte Dimmsystem für
Hochdruck-Entladungslampen hat jedoch eine Anzahl ernsthafter praktischer
Nachteile. Ein ernsthafter Nachteil bezieht sich auf die Verwendung
eines optischen Sensors. Einerseits, weil zum richtigen Detektieren
des von der Lampe erzeugten Lichtes eine Korrektur hinsichtlich
des Umgebungslichtes erforderlich ist, und andererseits, weil eine
solche Detektion sehr empfindlich auf Verschmutzung des Sensors
reagiert. Ein zusätzliches,
häufig
auftretendes Problem bezieht sich auf die Tatsache, dass die Lampe
leicht zu flackern beginnt, was visuell sehr störend ist. Zudem be steht ein
erhebliches Risiko, dass die Lampe während des Dimmens oder im Dimmzustand erlischt.
Ein anderer häufig
auftretender Nachteil betrifft die Tatsache, dass ein Betrieb der
Lampe in einem Dimmzustand zu Schwärzung der Wandung des Entladungsgefäßes führt, wodurch
der Lichtstrom der Lampe im Laufe der Nutzlebensdauer der Lampe
abnimmt.
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In
US 5623187 wird eine Steuereinrichtung zum
Zünden
und Betreiben einer HID-Lampe bei hohen Frequenzen beschrieben,
die Mittel zum Detektieren und Vermeiden von Betrieb bei Frequenzen umfasst,
welche akustische Resonanzen bzw. Bogeninstabilitäten bewirken.
Die Mittel beinhalten Steuerungsmittel zum Messen der Lampenspannung und
des Lampenstroms, um die Leistung zu erhalten, die dann mit einer
Referenz verglichen wird, mit dem Ziel, die der Lampe zugeführte Leistung
einzustellen.
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In
EP-A-0567108 wird eine Steuerschaltung für eine Gasentladungslampe offenbart.
Gemäß der Offenbarung
wird die der Lampe zugeführte
Leistung durch Steuern des Schaltens einer Hochfrequenz-Rechteckspannungsfilterschaltung
eingestellt.
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Der
Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Maßnahme zu schaffen, mit der
den genannten Nachteilen entgegengewirkt werden kann.
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Um
dies zu erreichen, ist eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art
wie in Anspruch 1 gekennzeichnet.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
hat den Vorteil, dass Signalbildung auf Basis von Spannungmessung
statt optischer Registrierung erfolgt. Ein weiterer Vorteil ist,
dass Registrierung des Wertes und der Dauer der Wandlerausgangsspannung
sich als sehr geeignet zum Detektieren des maximal zulässigen Dimmzustandes
erweist, bei dem die Lampe im Betrieb noch stabil ist, indem das
detektierte Signal mit einem Grenzwert verglichen wird. Zu Beginn
jeder Stromphase ist die Wandlerausgangsspannung im Allgemeinen
impulsförmig
mit einer Pulshöhe
und einer Pulsbreite, gefolgt von einer Plateauspannung. So dient
das Signal Lvs in einer günstigen
Ausführungsform
dazu, die Pulshöhe
zu detektieren. In einer unterschiedlichen Ausführungsform wird das Signal
Lvs verwendet, um die Pulsbreite zu detektieren.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
dient das Signal Lvs dazu, die Plateauspannung zu detektieren. Bei
einer ersten Abwandlung erfolgt Detektion des Unterschieds in der
Plateauspannung des Signals Lvs in aufeinander folgenden Stromphasen.
Bei einer anderen Abwandlung erfolgt Detektion von Schwankungen
in der Plateauspannung des Signals Lvs innerhalb einer Stromphase.
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Im
Betriebszustand führt
der Wandler an seinem Ausgang den Wandlerausgangsstrom. In einer vorteilhaften
Ausführungsform
gemäß der Erfindung umfasst
die Schaltungsanordnung Mittel zum Generieren eines mit dem Wandlerausgangsstrom
zusammenhängenden
Signals Icu, das dazu bestimmt ist, das Steuersignal zu bilden.
Es hat sich überraschenderweise
gezeigt, dass ein Steuern des Halbleiterschalters des Wandlers auf
Basis sowohl der Wandlerausgangsspannung als auch des Wandlerausgangsstroms
ermöglicht,
eine angeschlossene Hochdruck-Entladungslampe in einem großen Dimmbereich
stabil zu betreiben. Vorzugsweise werden die Signale Lvs und Icu
verwendet, um ein Leistungssignal Sv zu bilden, beispielsweise durch
Multiplizieren der Signale Lvs und Icu. Das Leistungssignal Sv wird anschließend mit
einem Bezugsleistungswert verglichen, der vom Dimmsignal Ds abhängt, und
das Ergebnis des Vergleichs wird genutzt, um das Steuersignal zum
Steuern des Halbleiterschalters des Wandlers zu bilden. Detektion
des maximal zulässigen Dimmzustandes
kann vorteilhaft durch Begrenzen des Wertes des Leistungssignals
Sv unmittelbar nach Beginn jeder Stromphase realisiert werden.
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Periodische
Detektion der Wandlerausgangsspannung und des Wandlerausgangsstroms ermöglicht ein
auf Software basiertes Vorgehen, was zu einem wesentlichen Maß an Freiheit
hinsichtlich der praktischen Realisierung der Hardware führt. Vorzugsweise
umfasst die Steuerschaltung einen programmierbaren Prozessor, der
zum Ausführen der
oben genannten Funktionen verwendet wird. Die genannte Steuerschaltung
umfasst vorzugsweise Mittel zum Vergleichen des Signals Lvs mit
einem Grenzwert. Dies kann vorteilhafterweise mit Hilfe des programmierbaren
Prozessors durchgeführt
werden.
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Wenn
die Schaltanordnung gut zum Betreiben einer Halogenmetalldampflampe
mit einer Keramikwandung verwendet werden kann, dann entspricht
der Grenzwert zum Vergleichen des Signals Lvs vorzugsweise einem
Scheitelfaktor von höchstens
1,5. Wenn die Schaltanordnung gut zum Betreiben einer Halogenmetalldampflampe
mit einer Quarzglaswandung verwendet werden kann, dann entspricht
der Grenzwert zum Vergleichen des Signals Lvs einem Scheitelfaktor
von höchstens
1,6.
Der Begriff "Scheitelfaktor" soll in dieser Beschreibung
und in den Ansprüchen
das Verhältnis
zwischen der Pulshöhe
der Wandlerausgangsspannung und der Höhe der Plateauspannung der
Wandlerausgangsspannung bedeuten.
Der Begriff „Keramikwandung" soll in den Ansprüchen eine
Wandung aus einem lichtdurchlässigen, dicht
gesinterten Metalloxid bedeuten, wie z.B. Aluminiumoxid und VAG,
und aus einem lichtdurchlässigen,
dicht gesinterten Metallnitrid, wie z.B. AlN.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
und
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2 ein
Blockschaltbild einer Steuerschaltung der Schaltungsanordnung von 1.
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3 eine graphische Darstellung eines mit der
Wandlerausgangsspannung zusammenhängenden Signals Lvs für 3 unterschiedliche
Dimmzustände
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
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4A,
B, C, D graphische Darstellungen des Signals Lvs in weiteren Ausführungsformen,
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5A,
B graphische Darstellungen einer Plateauspannung des Signals Lvs
in aufeinander folgenden Stromphasen,
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6A,
B graphische Darstellungen einer Plateauspannung des Signals Lvs
in einer unterschiedlichen Ausführungsform
und
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7 ein
Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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1 zeigt
eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Hochdruck-Entladungslampe La
mit aufeinander folgenden Stromphasen, welche Schaltungsanordnung
mit Mitteln zum Betreiben der angeschlossenen Lampe mittels eines
Dimmsignals Ds in einem Dimmzustand versehen ist, wobei die Schaltungsanordnung
umfasst:
- – Eingangsklemmen 1 zum
Anschließen
der Schaltungsanordnung an eine Speisequelle VB,
- – Ausgangsklemmen 2 zum
Anschließen
der zu betreibenden Lampe La,
- – ein
Schaltnetzteil I (SMPS) mit einem Wandler Cv, versehen mit einem
Halbleiterschalter, zum Erzeugen, an einem Wandlerausgang 3,
einer Wandlerausgangsspannung an Pufferkondensatormitteln Cp und
eines Wandlerausgangsstroms, und
- – eine
Steuerschaltung Sc zum Generieren eines Steuersignals in Abhängigkeit
von dem Dimmsignal, zum Steuern des Halbleiterschalters.
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Die
Schaltungsanordnung umfasst auch Mittel II zum Generieren eines
mit der Wandlerausgangsspannung zusammenhängenden Signals Lvs, das dazu
bestimmt ist, das Steuersignal zu bilden.
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Bei
einer praktischen Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
kann die Schaltungsanordnung geeignet an eine Speisequelle, beispielsweise
ein Elektrizitätsnetz
von 220 V, 50 Hz angeschlossen werden, um eine Hochdruck-Entladungslampe,
beispielsweise eine MHC-Halogenmetalldampflampe, Hersteller Philips,
zu betreiben. Das SMPS der Schaltungsanordnung ist vorzugsweise
mit einem Preconditioner Pc versehen. Zum Betreiben der Lampe mit
vorzugsweise aufeinander folgenden Stromphasen von abwechselnder
Polarität ist
die Schaltungsanordnung mit einem Kommutator III versehen, der einerseits
an den Wandlerausgang 3 und andererseits an die Ausgangsklemmen 2 angeschlossen
ist. Der Kommutator ist auch mit einer Zündschaltung versehen.
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2 zeigt
die Steuerschaltung Sc detaillierter. Die Steuerschaltung Sc umfasst
einen programmierbaren Prozessor in Form eines IC 100.
Die Mittel II sind an einen ADC-Eingang AD0 des IC 100 angeschlossen.
Somit wird das mit der Wandlerausgangsspannung zusammenhängende Signal
Lvs gebildet. An den IC ist ein externer Oszillator OSC angeschlossen,
der als Takt dient. Der IC ist auch an einen externen Speicher 10 angeschlossen,
in dem eine Tabelle mit Bezugswerten und Kenndaten hinsichtlich
der zu betreibenden Lampe aufgenommen ist, wie z.B. die Lampen-Nennleistung,
Lampenspannung, zulässige
Dimmrate usw. Eine Dimmschnittstelle 12 ist sowohl an einen
ADC-Eingang AD3 auf dem IC als auch an einen digitalen Eingang INT
angeschlossen. Das Dimmsignal Ds liegt an einem Eingang 121 der
Dimmschnittstelle 12 an. Die Schaltungsanordnung kann somit
gut zum Betreiben der angeschlossenen Lampe verwendet werden, wobei das
Dimmsignal Ds entweder analog oder digital ist. Das Steuersignal
zum Steuern des Schalters des Wandlers, das in der Steuerschaltung
generiert wird, liegt an einem DA-Ausgang DAC1 des IC 100 an.
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Bei
einer praktischen Ausführungsform
der hier beschriebenen Schaltungsanordnung hat die angeschlossene
MHC-Lampe eine Nennleistung von 70 W. Die Schaltungsanordnung umfasst
ein Schaltnetzteil (SMPS: switch-mode power supply), das sich aus
einer bekannten Kombination aus einem Preconditioner, in Form eines
Hochsetzstellers oder Boost-Wandlers, und einem Buck-Wandler oder
Tiefsetzsteller zusammensetzt. Der Tiefsetzsteller umfasst einen
960-nF-Pufferkondensator an seinem Ausgang und ist an einen Kommutator
angeschlossen. Der Kommutator hat die Form einer Brückenschaltung. Der
Kommutator enthält
auch eine an sich bekannte Zündschaltung.
Die Steuerschaltung umfasst als programmierbaren Prozessor einen
IC vom Typ 87LPC769, Hersteller Philips. Der Ausgang der Wandlerausgangsspannung
ist über
einen ohmschen Spannungsteiler an einen ADC-Eingangsanschlusstift
(Stiftnr. 2) des IC angeschlossen. Der externe Oszillator ist als
Quarzkristall-Oszillator ausgebildet. Der externe Speicher, der
die Tabelle mit Bezugswerten, wie z.B. Grenzwerten und Kenndaten umfasst,
ist ein 4 Kbit-EEPROM.
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Der
IC ist mit Software zum Ausführen
der unten beschriebenen Prozedur versehen. Nachdem die Lampe gezündet ist
und stabil brennt, erfolgt im Verlauf einer Stromphase des Kommutators
Detektion der Wandlerausgangsspannung. Hierzu wird das Signal Lvs
abgetastet. Die Größe des Scheitelfaktors wird
aus dem Verhältnis
der so erhaltenen Werte bestimmt, die mit der Pulshöhe und der
Plateauspannung zusammenhängen.
Der so erhaltene Scheitelfaktorwert wird mit einem Bezugs- oder
Grenzwert verglichen, der auch in dem EEPROM gespeichert ist. Solange
der Scheitelfaktorwert kleiner ist als der Bezugswert, wird Dimmen
der Lampe entsprechend dem angelegten Dimmsignal Ds fortgesetzt.
Wenn jedoch der festgestellte Scheitelfaktor den zuvor bestimmten
Grenzwert überschreitet,
dann wird die Steuerung des Wandlers festgesetzt, unabhängig davon,
ob der dem angelegten Dimmsignal Ds entsprechende Dimmzustand erreicht
worden ist. Was die MHC-Lampe mit einer Nennleistung von 70 W betrifft, so
ist der maximale Dimmzustand, der so erreicht werden kann, 35 W.
In 3 wird Obiges mit Hilfe einer graphischen
Darstellung des mit der Wandlerausgangsspannung zusammenhängenden
Signals Lvs für
3 unterschiedliche Dimmzustände
erklärt.
Die horizontale Achse der Figur ist die Zeitachse, und die Spannung
V und der Strom I sind entlang der vertikalen Achse aufgetragen.
In der graphischen Darstellung repräsentieren die Kurven 50, 51 und 52 über eine
Dauer von 3 aufeinander folgenden Stromphasen das mit den Mitteln
II generierte Signal Lvs für
die Lampe im Nennzustand, im maximalen Dimmzustand bzw. in einem
Dimmzustand, in dem die Lampe nur gerade noch brennt. Zur Veranschaulichung
ist der zugehörige
durch die Lampe fließende
Strom mit Hilfe der Kurven 60, 61 bzw. 62 dargestellt.
Im Nennbetrieb der Lampe ist der Scheitelfaktor 1,34. Im maximalen
Dimmzustand ist der Wert des Scheitelfaktors 1,5. In diesem Zustand
bleibt das von der Lampe erzeugte Flackern gerade noch vom Betrachter
unbemerkt. Wenn die Lampe gerade noch brennt, ist der Scheitelfaktor
1,6. In diesem Zustand weist die Lampe ein deutlich wahrnehmbares
und störendes Flackern
auf.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
ist der programmierbare Prozessor so programmiert, dass Detektion
der Pulsbreite des Signals Lvs als Größe für die Feststellung dient, ob
der maximal zulässige Dimmzustand
erreicht worden ist. Dies wird mit Hilfe von 4 detaillierter
erläutert.
In 4A bzw. B repräsentieren
die Bezugszeichen 30, 31 Kurven des Signals Lvs
während
eines Anfangsbruchteils einer Stromphase zum Betreiben einer Halogenmetalldampflampe,
die ein Keramik-Lampengefäß vom CDM-Typ
hat, Hersteller Philips, mit einer Nennleistung von 70 W, in dem
Nenn-Betriebszustand bzw. einem Dimmzustand von 35 W. Die Figuren
zeigen deutlich, dass das Signal im Dimmzustand über eine lange Zeitdauer einen
hohen Wert annimmt. In dem abgebildeten Fall beträgt die Dauer,
in der das Signal Lvs einen hohen Wert aufweist, 80 μs, welches
die maximal zulässige
Zeitdauer ist. Zum Vergleich ist der durch die Lampe fließende Strom
in den Kurven 40, 41 angegeben. 4C und 4D zeigen
für eine
Halogenmetalldampflampe vom MHW-Typ,
Hersteller Philips, mit einem Quarzglas-Entladungsgefäß und einer
Nennleistung von 70 W, das Signal Lvs für den Nenn-Betriebszustand
und einen Dimmzustand von 35 W, angegeben mit Hilfe der Kurve 53 bzw. 54, und
den durch die Lampe fließenden
Strom über
eine vergleichbare Zeitdauer, angegeben mit Hilfe der Kurven 63 bzw. 64.
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Andere
Möglichkeiten,
bei denen der programmierbare Prozessor den maximal zulässigen Dimmzustand
feststellen kann, beruhen auf der Detektion der Plateauspannung
des Signals Lvs. In einer ersten Abwandlung erfolgt Detektion des
Unterschieds in der Plateauspannung des Signals Lvs in aufeinander
folgenden Stromphasen. In einer anderen Abwandlung erfolgt Detektion
von Schwankungen der Plateauspannung des Signals Lvs innerhalb einer
Stromphase. Dies wird mit Hilfe von 5 und 6 erläutert.
In 5A und 5B zeigen
die Kurve 55 bzw. 56 das Signal Lvs für 7 aufeinander
folgende Stromphasen im Nenn-Betriebszustand und in einem Dimmzustand
von 35 W für
die MHW-Lampe mit einer Nennleistung von 70 W. 5B zeigt
deutlich, dass der Wert der Plateauspannung 561, 562, 563 des
Signals Lvs sich in aufeinander folgenden Stromphasen unterscheidet.
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Im
Fall der CDM-Lampe mit einer Nennleistung von 70 W zeigen 6A bzw. 6B mit
Hilfe der Kurve 32 bzw. Kurve 33 das Signal Lvs
für 7 aufeinander
folgende Stromphasen im Nenn-Betriebszustand und in einem Dimmzustand
von 35 W. 6B zeigt deutlich, dass die
Plateauspannung des Signals Lvs in einigen der Stromphasen Schwankungen 300 aufweist.
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Das
Blockschaltbild von 7 zeigt eine weitere Abwandlung
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
in der die Teile, die dem Blockschaltbild von 1 entsprechen,
mit Hilfe entsprechender Bezugszeichen angegeben sind. Diese Abwandlung
der Schaltungsanordnung umfasst Mittel IV zum Generieren eines mit
dem Wandlerausgangsstrom zusammenhängenden Signals Icu, um das Steuersignal
zu bilden. Mit Hilfe der Signale Lvs und Icu wird ein Leistungssignal
Sv gebildet, beispielsweise durch Multiplizieren der Signale Lvs
und Icu. Das Leistungssignal Sv wird anschließend mit einem Bezugsleistungswert
verglichen, der vom Dimmsignal Ds abhängt, und das Ergebnis des Vergleichs wird
genutzt, um das Steuersignal zum Steuern des Halbleiterschalters
des Wandlers zu bilden. Detektion des maximal zulässigen Dimmzustandes
kann vorteilhaft durch Begrenzen des Wertes des Leistungssignals
Sv unmittelbar nach Beginn jeder Stromphase realisiert werden.