DE69312424T2

DE69312424T2 - Spitzenstromregelkreis für eine Natriumdampfhochdrucklampe zur Erzielung gleichbleibender Leuchtfarbe

Info

Publication number: DE69312424T2
Application number: DE69312424T
Authority: DE
Inventors: David Joseph Kachmarik; Louis Robert Nerone; Douglas Moss Rutan
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1992-11-05
Filing date: 1993-11-04
Publication date: 1998-02-19
Anticipated expiration: 2013-11-05
Also published as: EP0596741A3; DE69312424D1; EP0596741A2; CA2108418A1; JPH06208892A; EP0596741B1; US5367228A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Betrieb von Hochdruck-Natriumlampen. In näherer Hinsicht ist die vorliegende Erfindung auf eine Steuerschaltung für Hochdruck-Natriumlampen gerichtet, die einen konstanten Spitzenstrom durch die Lampe liefert und dadurch für eine konstante Lampenfarbe sorgt, sowie auf ein Verfahren zum Liefern eines im wesentlichen konstanten Spitzenstroms an diese Hochdruck-Natriumentladungslampe.
Hochdruck-Natriumlampen sind in der Technik gut bekannt und werden in großem Umfang für Straßen-, Wege- und andere Aussenbeleuchtungsanwendungen benutzt. Eine Hochdruck-Natriumlampe besteht typischerweise aus einer zylindrischen transparenten oder durchscheinenden Lichtbogenröhre, die unter Druck stehenden Natriumdampf enthält.
Die Bogenröhre weist im allgemeinen ein Elektrodenpaar darin auf, und ein Strom fließt durch den Natriumdampf in der Bogenröhre, um die Natriumatome anzuregen. Der Strom ist vorzugsweise ein Wechselstrom, der im Verhältnis zu einem Gleichstrom typischerweise eine erhöhte Betriebslebensdauer bietet. Die Energie, die bei der Anregung und Relaxation der Natriumionen abgegeben wird, wird in sichtbares Licht sowie Wärme umgewandelt.
Die Bogenröhre ist im allgemeinen in einem Glaskolben oder einer ähnlichen äußeren Umhüllung eingeschlossen, um die Bogenröhre gegenuber der Umgebung zu isolieren, wodurch eine Oxidation der Elektroden und anderer metallischer Teile vermieden, die Betriebstemperatur der Lampe stabilisiert und eine durch die Anregung der Natriumionen emittierte ultraviolette Strahlung erheblich vermindert wird.
Auf dem Beleuchtungsgebiet bezieht sich die Farbtemperatur auf die absolute Temperatur (in Grad Kelvin) der Strahlung eines schwarzen Körpers, deren Farbton dem der Lichtquelle am nächsten kommt.
Wie von den Fachleuten auf diesem Gebiet anerkannt, ist die Farbtemperatur einer Hochdruck-Natriumlampe eine Funktion des Spitzenstromes durch die Lampe. Die Farbtemperatur bestimmt den von der Lampe erzeugten Lichtfarbton, auf den allgemein als Lampenfarbe Bezug genommen wird. Es wird auf dem Fachgebiet als Wichtig angesehen, einen gewünschten Spitzenstrom aufrecht zu erhalten, so daß die Lampe eine gewünschte Lampenfarbe besitzt.
Der Spitzenstrom durch die Lampe ist eine Funktion der inneren Impedanz der Lampe. Eines der mit dem Betrieb von Hochdruck-Natriumlampen verbundenen Probleme besteht darin, daß die Impedanz der Lampe sich mit der Zeit verändert, und zwar sowohl aufgrund von internen Temperatureffekten als auch aufgrund der Alterung der Lampe im Laufe ihrer Betriebszeit.
Zusätzlich gibt es Abweichungen bei der Lampenimpedanz von einer Lampe zur anderen aufgrund von Fertigungstoleranzen, sei es von demselben Hersteller oder von einem Hersteller zu einem anderen.
Somit wird der Innenwiderstand einer Lampe sich mit der Zeit verändern und ebenfalls wird sich der Innenwiderstand einer Ersatzlampe relativ zum Innenwiderstand bei der ursprünglichen Lampe verändern. Aufgrund dessen war es bisher schwierig, angesichts der sich verändernden Lampenimpedanz einen konstanten Spitzenstrom durch eine Lampe und somit eine im wesentlichen gleichförmige Lampenfarbe aufrecht zu erhalten.
Die EP-A-0323676 beschreibt eine Steuerschaltung für die Bereitstellung einer im wesentlichen konstanten Leistungsaufnahme einer Gasentladungslampe, wobei diese Steuerschaltung enthält: einen ersten und einen zweiten Knoten, zwischen denen ein gleichgerichtetes Spannungssignal elektrisch ange legt werden kann; eine Ballast- bzw. Vorschaltanordnung, die elektrisch mit dem ersten und einem dritten Knoten verbunden ist, wobei die Vorschaltanordnung einen ersten und einen zweiten Kontakt aufweist, wobei die Lampe betriebsmäßig zwischen den ersten und zweiten Kontakten verbunden ist, wobei die Vorschaltanordnung einen Strom durch die Lampe erzeugt und steuert auf der Basis des Wertes von einer Spannung an dem dritten Knotenpunkt; einen Stromfühler, um die Größe des von dem Kondensator 15 durch die Vorschaltanordnung abgenommenen Stroms und damit die Leistungsaufnahme der Lampe abzufühlen; und eine Zusatz-Spannungssteuerschaltung, die elektrisch mit den ersten, zweiten und dritten Knoten verbunden ist und die die Funktion hat, den Wert der Spannung an dem dritten Knoten zu steuern, um eine im wesentlichen konstante Leistung an die Lampe zu liefern auf der Basis der Größe des durch den Stromfühler abgefühlten Stroms; wobei die Zusatz- Spannungssteuerschaltung eine Energiespeichervorrichtung, einen Kondensator und eine Spannungssteuerschaltung enthält, um die Größe der durch die Energiespeichervorrichtung gespeicherten Energie auf der Basis des durch den Stromfühler abgefühlten Stroms zu steuern; wobei die Spannungssteuerschaltung einen steuerbaren Schalter aufweist, der einen ersten Kontakt, der elektrisch mit der Energiespeichervorrichtung verbunden ist, und einen steuerbaren Eingang hat.
Die vorliegende Anmeldung ist verwandt mit der EP-A-0596739 (mit dem Titel "Circuit and Method for Operating High Pressure Sodium Vapor Lamps") sowie mit der EP-A-0596740 ( mit dem Titel "Feedback-controlled Circuit and Method for Powering a High Intensity Discharge Lamp").
Gemäß der Erfindung wird eine Steuerschaltung zur Lieferung eines im wesentlichen konstanten Spitzenstroms an eine Hochdruck-Natriumlampe mit den im Anspruch 1 oder 7 angegebenen Merkmalen geschaffen. Ein Verfahren zum Liefern eines im wesentlichen konstanten Spitzenstroms an eine Hochdruck-Natriumentladungslampe gemäß der Erfindung ist im Anspruch 9 wiedergegeben.
Die Ballast- bzw. Vorschaltanordnung enthält vorzugsweise einen ersten und einen zweiten Schalter, eine Reihenschaltung aus einem Schwingkreis, ersten und zweiten Kontakten sowie eine Leistungssteuerschaltung. Die Lampe läßt sich zwischen die ersten und zweiten Kontakte einfügen.
Vorzugsweise ist ein Spannungsfühler vorgesehen, um die Größe einer von der Zusatz-Spannungssteuerschaltung (buck-boost voltage control circuit) gesteuerten Spannung abzufühlen.
Die Zusatz-Spannungssteuerschaltung steuert den Wert der gesteuerten Spannung, die über der Reihenschaltung der Lampe und des Schwingkreises gesehen wird, und zwar basierend auf dem Wert des Spitzenstroms durch die Lampe. Durch die Steuerung des Werts der Spannung über der Lampe steuert die Zusatz-Spannungssteuerschaltung den Spitzenstrom durch die Lampe. Somit liefert die Schaltung der vorliegenden Erfindung eine konstante Lampenfarbe ungeachtet von Schwankungen in der Lampenimpedanz.
Die Leistungssteuerschaltung betreibt die ersten und zweiten Schalter der Vorschaltanordnung (Ballast), und steuert dadurch das Anlegen der gesteuerten Spannung an die Reihenschaltung der Lampe und des Schwingkreises. Die Leistungssteuerschaltung liefert in Verbindung mit dem Schwingkreis einen bidirektionalen Wechselstrom an die Lampe.
Die Leistungssteuerschaltung steuert die Schaltfrequenz der ersten und zweiten Schalter, und zwar vorzugsweise basierend auf der Größe des abgefühlten Stroms durch die Lampe sowie der Größe der abgefühlten Spannung an der Lampe. Durch Steuerung der Frequenz, mit der die ersten und zweiten Schalter geschaltet werden, kann die durch die Lampe aufgenommene Leistung gesteuert werden.
Der Schwingkreis enthält vorzugsweise eine Drossel und zwei Kondensatoren. Wenn die gesteuerte Spannung über die Reihenschaltung des Schwingkreises und der Lampe geschaltet wird, werden der Drosselstrom, der Lampenstrom und die Kondensatorspannung zu schwingen beginnen, und die Drossel sowie die Kondensatoren werden beginnen, Energie zu speichern. Wenn das Spannungspotential der Kondensatoren den Wert der gesteuerten Spannung erreicht, wird die Kondensatorspannung festgehalten bzw. festgeklemmt und die in der Drossel gespeicherte Energie wird als ein Strom durch die Lampe in derselben Richtung freigegeben, wie durch die gesteuerte Spannung veranlaßt.
Die Energie in der Drossel wird in einer exponentiellen Weise freigegeben. Einige Zeit nach der vollständigen Entladung der Drossel wird die gesteuerte Spannung von der Reihenschaltung des Schwingkreises und der Lampe entfernt. Das Spannungspotential in den Kondensatoren beginnt sich durch die Lampe und die Drossel zu entladen und veranlaßt einen Stromfluß durch sie hindurch in einer entgegengesetzten Richtung relativ zur Richtung des von der gesteuerten Spannung verursachten Stromes. Der Strom durch die Drossel bewirkt, daß darin Energie gespeichert wird. Wenn das Potential in den Kondensatoren vollständig entladen ist, wird die in der Drossel gespeicherte Energie abgegeben als ein durch die Lampe in derselben Richtung fließender Strom, wie er durch die sich entladenden Kondensatoren bedingt war.
Einige Zeit nach der völligen Entladung der Energie in der Drossel legt der Leistungssteuerschaltkreis erneut die gesteuerte Spannung an die Reihenschaltung des Schwingkreises sowie der Lampe an und wiederholt damit den Vorgang.
Die ersten und zweiten Schalter besitzen jeweils einen steuerbaren Eingang, an den ein gepolter Transformatorzweig bzw.- Schenkel angeschlossen ist. Die Polung des mit dem ersten Schalter verbundenen Schenkels ist jedoch entgegengesetzt zu der Polung des mit dem zweiten Schalter verbundenen Schenkels. Die Leistungssteuerschaltung besitzt vorzugsweise eine mit einem dritten gepolten Schenkel verbundene Steuerung. Durch Steuerung der relativen Polung des dritten Schenkels kann die Arbeitsweise der ersten und zweiten Schalter gesteuert werden.
Die Zusatz-Spannungssteuerschaltung weist vorzugsweise eine Energiespeichervorrichtung auf, die Energie speichert, welche als die Steuerspannung freigegeben werden kann, sowie eine Spannungssteuerschaltung zur Steuerung der Größe der darin gespeicherten Energie. Die Spannungssteuerschaltung steuert die Größe der gesteuerten Spannung auf der Basis des Spitzenstroms durch die Lampe.
Die Spannungssteuerschaltung weist vorzugsweise einen dritten Schalter auf, der in steuerbarer Weise die Energiespeichervorrichtung mit Erde bzw. Masse verbindet. Die Spannungssteuerschaltung besitzt vorzugsweise weiter eine mit dem Stromfühler verbundene Spitzen(wert)halteschaltung sowie eine Steuerung zum Steuern des Betriebs des dritten Schalters.
Wenn die Energiespeichervorrichtung mit Erde verbunden ist, baut sich darin Energie auf. Wenn sie von Erde abgetrennt ist, wird die gespeicherte Energie von der Schaltung in die gesteuerte Spannung umgesetzt, die an die Lampe angelegt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung wird Bezug genommen auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
Figur 1 ein schematisches Blockschaltbild der vorgezogenen Ausführung für die Schaltung der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 eine vereinfachte Kurvendarstellung der Spannung am Knoten 140 in der Schaltung von Figur 1;
Figur 3 eine vereinfachte Kurvenform des Stromes durch die Lampe 132 in der Schaltung von Figur 1;
Figur 4 eine vereinfachte Kurvenform der Spannung am Knoten 142 in der Schaltung von Figur 1.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Wenden wir uns nun Figur 1 zu, so ist dort ein schematisches Blockschaltbild der bevorzugten Ausführungsform für die Schaltung der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Schaltung 100 enthält vorzugsweise eine Leistungskonditionierschaltung 102, um zwischen den Knoten 104 und 106 eine vollweg-gleichgerichtete Wechselspannung vorzusehen. Die Leistungskonditionierschaltung enthält vorzugsweise ein Filter 108 und eine Diodenbrücke 110.
Das Filter ist vorzugsweise ein elektromagnetisches Interferenzfilter, um Rauschen von den Leitungen L1 und L2 auszufiltern. Obwohl es sich bei der Leitungsspannung bei L1 und L2 vorzugsweise um eine Wechselspannung von etwa 120 Volt bei 60 Hertz handelt, kann die Schaltung der vorliegenden Erfindung jede Leitungspannung und Frequenz aufnehmen. Die Diodenbrücke 110 wandelt die gefilterte Leitungsspannung vom Filter 108 in eine vollweg-gleichgerichtete Wechseispannung zwischen den Knoten 104 und 106 um.
Der Transformator 112, vorzugsweise ein Spannungstransformator, enthält einen Zweig bzw. Schenkel 112A, der als Drossel wirkt, sowie einen Schenkel 112B, der als eine Anzapfung funktioniert. Der Schenkel 112A speichert darin Energie, wenn er über die Spannungssteuerschaltung 114 mit Erde verbunden ist, und gibt gespeicherte Energie frei, wenn der Erdungspfad abgetrennt ist. Wenn freigegeben, fließt die im Schenkel 112A gespeicherte Energie durch die Diode 116 und über den Konden sator 118. Bei der bevorzugten Ausführungsform weist der Schenkel 112A einen Induktivitätswert von ungefähr 172 Mikrohenry (µH) auf und der Kondensator 118 beträgt etwa 470 Mikrofarad (µF).
Die Spannung am Knoten 120 kann sich sowohl über als auch unter den Spannungswert am Knoten 104 verändern, und sie wird von der Spannungssteuerschaltung 114 über die Schaltfrequenz des FET 121 gesteuert, dessen Arbeitsweise in größerem Detail nachfolgend erläutert wird. Wie für Fachleute auf diesem Gebiet ersichtlich sein wird, läßt sich bei der gegebenen Steuerung des Spannungswerts am Knoten 120 relativ zu dem am Knoten 104 die Spannungssteuerschaltung 114 in Verbindung mit dem Schenkel 112A und dem Kondensator 118 beschreiben als ein Buck-Boost-Konverter oder als eine Zusatz-Spannungssteuerschaltung.
Die Vorschaltanordnung (Ballast) 160 steuert den Spitzenstrom durch die Lampe auf der Basis der Spannung am Knoten 120. Die Arbeitsweise der Vorschaltanordnung 160, wie sie nachfolgend im allgemeinen beschrieben wird, ist im Detail beschrieben in den vorhergehend angezogenen US-Patentanmeldungen Serial Nr. 07/971806 mit dem Titel "Circuit and Method For Operating High Pressure Sodium Vapor Lamps" (Anwaltsakte LD 10,203) und US-Patentanmeldung Serial Nr. 07/971791 mit dem Titel "Feedback-Controlled Circuit and Method For Powering A High Intensity Discharge Lamp" (Anwaltsakte LD 10,346).
Der Betrieb des FET 122 und des FET 124 wird von der Leistungssteuerschaltung 126 über eine Steuerung der Polarität des Stroms durch den Transformatorschenkel 128A gesteuert. Wenn der Transformatorschenkel 128A in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, ist der Transformatorschenkel 128B in Vorwärtsrichtung vorgespannt, so daß Strom dort hindurchfließt und der FET 122 einschaltet. Wenn der Transformatorschenkel 128A in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, ist der Transformatorschenkel 128C in der Gegenrichtung vorgespannt, so daß kein Strom dort hindurchfließt, und der FET 124 ist ausgeschaltet. Wenn umgekehrt der Transformatorschenkel 128A in Gegenrichtung vorgespannt ist, ist der Transformatorschenkel 128C in Vorwärtsrichtung vorgespannt, so daß Strom dort hindurchfließt und der FET 124 einschaltet. Wenn der Transformatorschenkel 128A in Gegenrichtung vorgespannt ist, ist der Transformatorschenkel 128B in Gegenrichtung vorgespannt, so daß kein Strom dort hindurchfließt und der FET 122 ausgeschaltet ist.
Wenn die FETs 122 und 124 geschaltet werden, wird die Spannung am Knoten 120 an die Reihenschaltung aus dem Transformatorschenkel 130A, der Lampe 132 und einem Schwingkreis mit der Resonanzdrossel 134 sowie den Resonanzkondensatoren 136 und 138 angelegt. In der bevorzugten Ausführung weist die Resonanzdrossel etwa 500µH auf und die Kondensatoren 136 und 138 haben je 2µF.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 4 springt beim Einschalten des FET 122 die Spannung am Knoten 140 auf die Spannung am Knoten 120 (Bezugspunkt A in Figur 2) und die Spannung an Knoten 142 beträgt Null (Bezugspunkt A in Figur 4). Damit fließt Strom in der Richtung A durch den Schenkel 130A, die Drossel 134, die Lampe 132, den Kondensator 136 und den FET 122. Der Stromfluß durch die Lampe nimmt in einer Resonanzform zu, wenn die Drossel 134 zu laden beginnt (Intervall A-B in Figur 3), während die Spannung am Knoten 142 in einer Resonanzform zunimmt, wenn der Kondensator 138 sich aufzuladen beginnt (Intervall A-B in Figur 4).
Per Definition will die Spannung am Knoten 142 auf den zweifachen Wert der Spannung am Knoten 120 ansteigen. Wenn jedoch die Spannung am Kondensator 138 den Wert der Spannung am Knoten 120 erreicht, klemmt die Diode 144 den Kondensator 136 fest und die Diode 144 beginnt, den Strom zu leiten.
Zusätzlich wird die in der Drossel 134 gespeicherte Energie in Form eines Entladestroms in Resonanzform in der Richtung A durch die Lampe 132, die Diode 144, den FET 122 und den Schenkel 130A freigegeben, bis die Energie darin völlig entladen ist (Intervall B-C in Figur 3). Wie für Fachleute auf diesem Gebiet ersichtlich sein wird, basiert die Geschwindigkeit der exponentiellen Abnahme auf dem Induktivitätswert der Drossel 134 und dem Impedanzwert der Lampe 132.
In der bevorzugten Ausführung handelt es sich bei dem Transformator 130 um einen Stromtransformator, und der Strom durch den Schenkel 130A, der kennzeichnend ist für den Strom durch die Lampe 132, wird von dem Schenkel 130B abgefühlt. An einem Punkt, nachdem die Drossel 134 völlig entladen ist und der Strom durch die Lampe 132 Null ist, kehrt die Leistungssteuerschaltung 126 die Polarität des Stroms durch den Schenkel 128A um und schaltet den FET 124 ein und den FET 122 aus.
Wenn der FET 124 einschaltet, wird die Spannung am Knoten 140 Null (Bezugspunkt C in Figur 2), während die Spannung am Knoten 142 sich auf dem Spannungswert des Knotens 120 (Referenzpunkt C in Figur 4) befindet, und zwar basierend auf der im Kondensator 138 gespeicherten Ladung. Die Spannungsdifferenz zwischen dem Knoten 142 und dem Knoten 140 veranlaßt den Strom, in der Richtung B durch die Lampe 132, die Drossel 134, den Schenkel 130A und den FET 124 zu fließen. Der Stromfluß durch die Lampe nimmt in einer Resonazform zu, wenn die Drossel 134 sich auf zuladen beginnt (Intervall C-D in Figur 3). Wenn Strom fließt, beginnt die im Kondensator 138 gespeicherte Ladung exponentiell abzunehmen, bis die Spannung am Knoten 142 Null ist (Intervall C-D in Figur 4).
Wenn die Spannung am Knoten 142 Null ist (Referenzpunkt D in Figur 4), klemmt die Diode 146 den Kondensator 138 fest und die in der Drossel 134 gespeicherte Energie wird als ein in der Richtung B in einer exponentiellen Art entladender Strom durch den Schenkel 130A, den FET 124, die Diode 146 und die Lampe 132 freigegeben, bis sie völlig entladen ist (Intervall D-A in Figur 3).
An einem Punkt, nachdem die Drossel 134 völlig entladen und der Strom durch die Lampe 132 Null ist, kehrt die Leistungssteuerschaltung 126 die Polarität des Stroms durch den Schenkel 128A um, schaltet dabei den FET 122 ein und den FET 124 aus und wiederholt damit den Vorgang.
Wie von Fachleuten auf diesem Gebiet anerkannt werden wird, verändert sich die Impedanz der Lampe 132 mit der Zeit, und zwar sowohl wegen interner Temperatureffekte als auch wegen der Alterung der Lampe im Laufe ihrer Nutzungszeit. Zusätzlich kommen Abweichungen der Lampenimpedanz von einer Lampe zur anderen aufgrund von Fertigungstoleranzen vor, sei es von demselben Hersteller oder von einem Hersteller zu einem anderen. Somit wird der Innenwiderstand einer Lampe sich mit der Zeit ändern und der Innenwiderstand einer Ersatzlampe wird sich ebenfalls relativ zum ursprünglichen Innenwiderstand der Lampe ändern.
Um die Lampe 132 bei ihrer optimalen Farbtemperatur zu betreiben, ist ein vorbestimmter Spitzenstrom erwünscht. Damit der Spitzenstrom konstant bleibt, muß man jeder Veränderung in der Lampenimpedanz mit einer entsprechenden Veränderung in der Lampenspannung entgegentreten. Die Spannungssteuerschaltung 114 verändert die Größe der Lampenspannung derart, daß ein vorbestimmter Spitzenstrom durch die Lampe aufrecht erhalten wird. Indem sie die Größe der Spannung am Knoten 120 ändert, steuert die Spannungssteuerschaltung 114 die Größe der über der Lampe 132 gesehenen Spannung und damit des durch sie hindurchfließenden Spitzenstromes.
Die Spannungssteuerschaltung 114 enthält vorzugsweise die Leistungsfaktorsteuerung 148, welche den FET 121 auf der Basis des Spitzenwerts des Stroms durch die Lampe 132 betreibt. Beim Ein- und Ausschalten des FET 121 werden Induktanzstöße auf die Leitung über dem Kondensator 118 geworfen, die dabei den Leistungsfaktor im wesentlichen nahe an Eins bringen, z.B. auf 0,99.
Die Größe des für den Strom durch die Lampe 132 kennzeichnenden Stroms durch den Schenkel 130A wird vorn Schenkel 130B abgefühlt, und der Spitzenwert davon wird erfaßt und gehalten von der Spitzenhalteschaltung 150. Die Steuerung 148 vergleicht den Spitzenstrom der Spitzenhalteschaltung 150 mit ihrem internen Referenzwert und paßt das Tastverhältnis seines Ausgangssignals basierend auf der Differenz davon an. Das Ausgangssignal von der Steuerung 148 steuert die Schaltfrequenz des FET 121.
Die Steuerung 148 ist vorzugsweise eine Buck-Boost-Leistungsfaktorsteuerung, z.B. das von Micro Linear Devices erhältliche Modell ML4813. Die bevorzugte Steuerung 148 enthält darin eine interne Verstärkungsschaltung, die als Verstärkungsschaltung 152 dargestellt ist. Die Verstärkungsschaltung wird basierend auf den Systemparametern eingestellt, z.B. dem gewünschten Spitzenstrom durch die Lampe. In der bevorzugten Ausführung wird die Verstärkungsschaltung 152 auf 2,5 für einen Spitzenlampenstrom von etwa 12 Ampere eingestellt.
Der Transformatorschenkel 1128 dient als ein Spannungsfühler, der die Größe der im Transformatorschenkel 112A gespeicherten Energie abfühlt und somit eine bezifferte Darstellung der Spannung am Knoten 120 liefert. Um eine Sicherheitsrückkopplung für die Steuerung 148 vorzusehen, ist ein Maximalspannungsbegrenzer 154 zwischen dem Schenkel 1128 und der Steuerung 148 angeordnet. Der Spannungswert am Knoten 120 kann während der ersten Zyklen des Schaltungsbetriebs, bevor die Schaltung ihren eingeschwungenen Zustand erreicht, auf einen vorbestimmten Punkt ansteigen. Weiterhin kann bei einer Fehlfunktion der Lampe 132 oder weil sie nicht angeschlossen ist, die Spannung am Knoten 120 auf einen vorbestimmten Wert ansteigen, weil die Steuerung 148 versuchen wird, den Spannungswert am Knoten 120 zu erhöhen, um einen gewünschten Spitzenstrom zu erzielen. Für den Fall, daß die Spannung über den vorbestimmten Punkt hinaus zunimmt, begrenzt der Maximalspannungsbegrenzer 154 den Wert der von der Steuerung 148 gesehenen Spannung. Die Steuerung 148 wird auf die Feststellung eines Maximalspannungszustands hin an den FET 121 ein Steuersignal mit einem vorbestimmten Tastverhältnis ausgeben das den FET 121 zur Lieferung einer vorbestimmten Spannung am Knoten 120 schaltet. In der vorgezogenen Ausführungsform ist der Maximalspannungsbegrenzer 154 auf etwa 300 Volt eingestellt.
Wie von Fachleuten auf dem Gebiet anerkannt werden wird, ist für eine optimale Helligkeitsabgabe eine vorbestimmte Größe der durch die Lampe 132 fließenden Leistung erwünscht. Bezugnehmend auf Figur 3 existiert eine Totzeit von dem Punkt an, an dem der Lampenstrom von der sich entladenden Drossel 134 auf Null geht, wenn die FETs 122 und 124 geschaltet werden. Durch eine Veränderung der Schaltfrequenz der FETs 122 und 124 kann die Größe der Totzeit über ein gegebenes Zeitintervall gesteuert werden. Durch Veränderung der Schaltfrequenz der FETs 122 und 124 steuert somit die Leistungssteuerschaltung 126 die durchschnittliche Lampenleistung. Die Leistungssteuerschaltung 126 enthält vorzugsweise die Durchschnitts leistungsschaltung 156, die Resonanzfrequenzsteuerung 158 sowie den Transformatorschenkel 128A.
Die Durchschnittsleistungsschaltung 156 bestimmt vorzugsweise über den Schenkel 130B die durchschnittliche durch die Lampe fließende Leistung auf der Basis der Größe des Stroms durch die Lampe sowie über den Schenkel 112B die Größe der Spannung am Knoten 120, indem es ein dafür kennzeichnendes Leistungssignal ausgibt. Die Resonanzfrequenzsteuerung 158 vergleicht das Leistungssignal mit einem internen Referenzwert und stellt die Frequenz ein, mit der die Polarität des Stroms durch den Schenkel 128A basierend auf der Differenz dazwischen geschaltet wird. In der bevorzugten Ausführung ist die Resonanzfrequenzsteuerung 158 eine Hochleistungs-Resonanzmodussteuerung, z.B. das von Motorola erhältliche Modell MC33066. Weiterhin handelt es sich bei dem Transformator 128 um einen Spannungstransformator, bei dem alle drei Schenkel eine identische Anzahl von Windungen, z.B. 60, auf einem gemeinsamen Kern tragen.
Wie von Fachleuten auf dem Gebiet anerkannt, ist die Farbtemperatur einer Hochdruck-Natriumlampe eine Funktion des Spitzenstroms durch die Lampe. Die Farbtemperatur bestimmt den Farbton des von der Lampe erzeugten Lichts, der im allgemeinen als Lampenfarbe bezeichnet wird. Es wird auf dem Fachgebiet als von Wichtigkeit angesehen, eine gewünschte Farbtemperatur aufrechtzuerhalten, so daß die Lampe eine gewünschte Lampenfarbe aufweist. Ein Vorteil der Schaltung der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Schaltung einen vorbestimmten Spitzenstrom für die Lampe liefert und damit eine gewünschte Lampenfarbe, und zwar ungeachtet etwaiger mit der Zeit auftretender Veränderungen hinsichtlich der internen Impedanz, sei es aufgrund interner Temperatureffekte oder wegen der Alterung der Lampe im Laufe ihres Betriebslebens. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Schaltung einen vorbestimmten Spitzenstrom an die Lampe liefert, und zwar ungeachtet etwaiger Unterschiede im Innenwiderstand von einer Lampe zu einer anderen aufgrund von Herstelltoleranzen, sei es von demselben Hersteller oder von einem Hersteller zu einem anderen. Noch ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Schaltung einen vorbestimmten Spitzenstrom an die Lampe liefert ungeachtet von starken Einbrüchen und/oder Spitzen in der Wechselspannungsversorgung und damit tatsächlich ohne Rück sicht auf den Wert der Leitungswechselspannung betreibbar ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Leistungsfaktor der Schaltung im wesentlichen nahe bei eins liegt, und zwar trotz zahlreicher darin verwendeter Drosseln und Kondensatoren.

Claims

1. Steuerschaltung (100) zur Lieferung eines im wesentlichen konstanten Spitzenstroms an eine Hochdruck-Natriumlampe (132), wobei die Steuerschaltung (100) enthält:

einen ersten und einen zweiten Knoten (104, 106), zwischen denen ein gleichgerichtetes Spannungssignal elektrisch angelegt werden kann;

eine Vorschaltanordnung (160), die elektrisch mit dem ersten (104) und einem dritten Knoten (120) verbunden ist, wobei die Vorschaltanordnung (160) einen ersten und einen zweiten Kontakt aufweist, wobei die Lampe (132) betriebsmäßig zwischen den ersten und zweiten Kontakten verbunden ist, wobei die Vorschaltanordnung (160) einen Spitzenstrom durch die Lampe (132) erzeugt und steuert auf der Basis des Wertes von einer Spannung an dem dritten Knotenpunkt (120);

einen Stromfühler (130A, 130B), um die Größe des Stroms durch die Lampe (132) abzufühlen;

eine Zusatz-Spannungssteuerschaltung (114), die elektrisch mit den ersten (104), zweiten (106) und dritten (120) Knoten verbunden ist und die die Funktion hat, den Wert der Spannung an dem dritten Knoten (120) zu steuern, um einen im wesentlichen konstanten Spitzenstrom durch die Lampe (132) zu liefern auf der Basis der Größe des durch den Stromfühler abgefühlten Stroms;

wobei die Zusatz-Spannungssteuerschaltung (114) eine Energiespeichervorrichtung, einen Kondensator und eine Spannungssteuerschaltung (154) enthält, um die Größe der durch die Energiespeichervorrichtung gespeicherten Energie auf der Basis des durch den Stromfühler abgefühlten Stroms zu steuern; und

wobei die Spannungssteuerschaltung einen steuerbaren Schalter (121) aufweist, der einen ersten Kontakt, der elektrisch mit der Energiespeichervorrichtung verbunden ist, und einen steuerbaren Eingang hat;

dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungssteuerschaltung eine Spitzenhalteschaltung (150), die elektrisch mit dem Stromfühler verbunden ist und die Funktion hat, ein Spitzenstromsignal auf der Basis eines von dem Stromfühler abgefühlten Spitzenstroms abzugeben, und eine Steuerung (148) aufweist, die betriebsmäßig mit dem steuerbaren Eingang des steuerbaren Schalters verbunden ist, um so dessen Betrieb auf der Basis des Spitzenstromsignals zu steuern und somit die Energiemenge zu steuern, die in der Energiespeicherschaltung gespeichert wird.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Vorschaltanordnung (160) enthält:

einen ersten steuerbaren Schalter (122), der betriebsmäßig zwischen dem dritten Knoten (120) und einem vierten Knoten (142) verbunden ist;

einen zweiten steuerbaren Schalter (124), der betriebsmäßig zwischen dem vierten Knoten und dem ersten Knoten (104) verbunden ist;

eine Reihenschaltung aus einem Schwingkreis (134; (136, 138) und den ersten und zweiten Kontakten, wobei die Reihenschaltung elektrisch zwischen dem vierten Knoten (142) und den ersten (104) und dritten (120) Knoten verbunden ist;

einen Spannungsfühler (148), um die Größe der Spannung an dem dritten Knoten abzufühlen;

eine Leistungssteuerschaltung (126), um die ersten (122) und zweiten (124) steuerbaren Schalter auf der Basis der Größe des Stroms, der durch den Stromfühler (130A, 130B) abgetastet ist, und der Größe der Spannung zu steuern, die durch den Spannungsfühler abgetastet ist, wobei die Leistungssteuerschaltung dazu dient, die Spannung an dem dritten Knoten (120) über die Lampe (132) anzulegen, um für einen bidirektionalen Strom zur Lampe zu sorgen.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 2, wobei:

der erste steuerbare Schalter (122) einen ersten Anschluß, der betriebsmäßig mit dem dritten Knoten (120) verbunden ist, einen zweiten Anschluß, der betriebsmäßig mit dem vierten Knoten verbunden ist, und einen steuerbaren Eingang aufweist;

der zweite steuerbare Schalter (124) einen ersten Anschluß, der betriebsmäßig mit dem vierten Knoten verbunden ist, einen zweiten Anschluß, der betriebsmäßig mit dem ersten Knoten (104) verbunden ist, und einen steuerbaren Eingang aufweist; und

die Leistungssteuerschaltung (126) einen Transformator (128) mit einem ersten (128B), einem zweiten (1280) und einem dritten polarisierten Schenkel (128A) aufweist, wobei der erste polarisierte Schenkel (128B) betriebsmäßig zwischen den steuerbaren Eingang von dem ersten steuerbaren Schalter und den vierten Knoten geschaltet ist, der zweite polarisierte Schenkel betriebsmäßig zwischen den steuerbaren Eingang von dem zweiten steuerbaren Schalter (122) und den ersten Knoten (104) geschaltet ist, wobei die Richtung der Polarität des ersten Schenkels (128B) entgegengesetzt zu derjenigen des zweiten Schenkels (1280) ist;

wobei die Leistungssteuerschaltung (126) ferner eine Steuerung (158) aufweist, die betriebsmäßig mit dem dritten polarisierten Schenkel (128A) verbunden ist und die die relative Polarität des dritten polarisierten Schenkels (128A) auf der Basis der durch den Stromfühler (130B) abgetasteten Stromgröße und der durch den Spannungsfühler abgetasteten Spannungsgröße steuert, um dadurch den Betrieb der ersten (122) und zweiten (124) steuerbaren Schalter zu steuern.

4. Steuerschaltung nach Anspruch 3, wobei die Steuerung (158) die relative Polarität des dritten Schenkels (128A) steuert, indem die Richtung von einem Strom durch den Schenkel (128A) gesteuert wird.

5. Steuerschaltung nach Anspruch 2, wobei der Schwingkreis (134, 136, 138) enthält:

eine Drossel (134), die elektrisch zwischen den vierten (142) Knoten und den ersten Kontakt geschaltet ist,

einen ersten Kondensator (136), der elektrisch zwischen den zweiten Kontakt und den dritten Knoten (120) geschaltet ist, und

einen zweiten Kondensator (138), der elektrisch zwischen den zweiten Kontakt und den ersten Knoten (104) geschaltet ist.

6. Steuerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Spannungssteuerschaltung (114) die durch die Energiespeichervorrichtung gespeicherte Spannungsgröße auf der Basis des Spitzenstroms steuert, der durch den Stromfühler abgefühlt wird.

7. Steuerschaltung (100) zur Lieferung eines im wesentlichen konstanten Spitzenstroms an eine Hochdruck-Natriumlampe (132), wobei die Steuerschaltung (100) enthält:

einen ersten und einen zweiten Knoten (104, 106), zwischen denen elektrisch ein gleichgerichtetes Spannungssignal angelegt werden kann;

eine Spitzenstrom-Steuerschaltung (160), die elektrisch mit dem ersten (104) und einem dritten Knoten (120) verbunden ist und die einen ersten und einen zweiten Kontakt aufweist, wobei die Lampe (132) betriebsmäßig zwischen die ersten und zweiten Kontakte schaltbar ist, wobei die Spitzenstrom-Steuerschaltung (160) einen Spitzenstrom durch die Lampe erzeugt und steuert auf der Basis von dem Wert einer Spannung an dem dritten Knoten (120);

eine Stromfühlerschaltung (130A, 130B), die die Funktion hat, die Größe des Stroms durch die Lampe (132) abzufühlen;

eine Zusatz-Spannungssteuerschaltung (114), die elektrisch mit dem ersten (104), zweiten (106) und dritten (120) Knoten verbunden ist und die die Funktion hat, den Wert der Spannung an dem dritten Knoten (120) zu steuern, um einen im wesentlichen konstanten Spitzenstrom durch die Lampe zu liefern auf der Basis der Größe des Lampenstroms, der durch die Stromfühlerschaltung abgefühlt wird;

wobei die Zusatz-Spannungssteuerschaltung eine Energiespeichervorrichtung, einen Kondensator und eine Spannungssteuerschaltung aufweist, um die Größe der durch die Energiespeichervorrichtung gespeicherten Energie auf der Basis der Größe des durch den Stromfühler abgefühlten Stroms zu steuern; und

wobei die Spannungssteuerschaltung einen steuerbaren Schalter aufweist, der einen ersten Kontakt, der elektrisch mit der Energiespeichervorrichtung verbunden ist, und einen steuerbaren Eingang hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungssteuerschaltung eine Spitzenhalteschaltung (150), die elektrisch mit dem Stromfühler verbunden ist und die die Funktion hat, ein Spitzenstromsignal auf der Basis von einem durch den Stromfühler abgefühlten Spitzenstrom abzugeben, und eine Steue rung (148) aufweist, die betriebsmäßig mit dem steuerbaren Eingang von dem steuerbaren Schalter verbunden ist, um dessen Betrieb auf der Basis des Spitzenstromsignals zu steuern und somit die Größe der Energie zu steuern, die in der Energiespeichervorrichtung gespeichert wird.

8. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 7, wobei die Energiespeichervorrichtung ein Transformatorschenkel (112A) ist, der als eine Drossel arbeitet.

9. Verfahren zum Liefern eines im wesentlichen konstanten Spitzenstroms an eine Hochdruck-Natriumlampe (132), wobei das Verfahren eine Schritte enthält:

Anlegen einer ersten Spannung über eine Reihenschaltung aus der Lampe (132) und einem Schwingkreis (134, 136, 138) während eines ersten Zeitintervalls, wodurch ein Stromfluß in der Lampe (132) in einer ersten Richtung hervorgerufen wird;

Aufbauen eines Spannungspotentials in dem Schwingkreis (134, 136, 138) während des ersten Zeitintervalls;

Unterbrechen des Anlegens der ersten Spannung uber der Reihenschaltung während eines zweiten Zeitintervalls; Anlegen des Spannungspotentials des Schwingkreises (134, 136, 138) an die Lampe (132) während des zweiten Zeitintervalls, wodurch ein Stromfluß in der Lampe in einer zweiten Richtung hervorgerufen wird;

Abfühlen des Stroms durch die Lampe (132);

Steuern des Wertes der ersten Spannung auf der Basis des abgefühlten Stroms durch die Lampe;

wobei der Schritt des Abfühlens des Stroms durch die Lampe (132) ein Abfühlen des Spitzenstroms durch die Lampe während des ersten und zweiten Zeitintervalls enthält; und

der Schritt des Steuerns des Wertes der ersten Spannung ein Steuern des Wertes der ersten Spannung auf der Basis der Größe des abgefühlten Spitzenstroms durch die Lampe enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 9, ferner die Schritte enthaltend:

Abfühlen des Wertes der ersten Spannung und

Ermitteln der Dauer der ersten und zweiten Zeitintervalle auf der Basis der Größe des abgefühlten Stroms durch die Lampe (132) und des abgefühlten Wertes der ersten Spannung.