DE69735257T2

DE69735257T2 - Wechselrichter zur Versorgung einer Entladungslampe mit sprunghaft veränderlicher Frequenz

Info

Publication number: DE69735257T2
Application number: DE69735257T
Authority: DE
Inventors: Paul Jos Luc Van Tichelen; Dominique Weyen
Original assignee: F VERDEYEN NV; Verdeyen N V F
Current assignee: F VERDEYEN NV; Verdeyen N V F
Priority date: 1997-07-24
Filing date: 1997-07-24
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2017-07-25
Also published as: ATE318068T1; DE69735257D1; EP0893943A1; EP0893943B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter zur Versorgung einer Gasentladungslampe, aufweisend:

– eine Gleichspannungsquelle,
– wenigstens zwei in einer Brückenschaltung angeordnete Schaltelemente,
– eine Steuerschaltung zur Steuerung der Schaltelemente so, dass die Brückenschaltung kontinuierlich eine Wechselspannung erzeugt,
– wenigstens eine mit einem der Ausgangsanschlüsse der Brückenschaltung verbundene Ballastinduktivität, und
– wenigstens eine zwischen die Ballastinduktivität und den anderen Ausgangsanschluss der Brückenschaltung geschaltete Gasentladungslampe.

Ein solcher Wechselrichter ist aus US-A-5 569 984 bekannt.
Bei der Hochfrequenzversorgung von Gasentladungslampen, die in Bezug auf die attraktive Dimensionierung der frequenzabhängigen Komponenten, die mit hohen Frequenzen einhergeht, per se attraktiv ist, ist es generell bekannt, dass akustische Resonanzen in Gasentladungslampen auftreten können. Wenn sie lange genug fortdauern, können solche Resonanzen in der Zerstörung der Lampe oder in einer beträchtlichen Verkürzung der Lebensdauer der Lampe resultieren.
Die vorstehend erwähnte Literaturstelle lehrt deshalb, die Energieversorgungsfrequenz der Gasentladungslampe derart zu wählen, dass bei der gewählten Frequenz eine akustische Resonanz verhindert ist. Wenn einmal eine Frequenz gewählt worden ist, fährt der Wechselrichter fort, bei der Frequenz zu arbeiten.
Um die korrekte Frequenz zu wählen, wird während des Hochfahrens bzw. Einschaltens der Lampe eine Auswahlprozedur ausgeführt. Dabei wird von einem von außerhalb der Lampe zu beobachtenden Parameter der Lampe wie beispielsweise Lichtstrom bzw. Lichtleistung und dgl., der als ein Indikator für das Auftreten akustischer Resonanz benutzt wird, Gebrauch gemacht. Wenn dieser Parameter eine Anzeige für das Auftreten einer akustischen Resonanz gibt, wird eine folgende Frequenz gewählt. Nach einer Zeit wird diese Prozedur beendet, und die Versorgung der Lampe wird mit der gewählten Frequenz, bei der keine Resonanz auftritt, aufrechterhalten.
Aus US-A-5 365 151 ist eine ähnliche Schaltung bekannt, bei welcher der Gasentladungslampe auch verschiedene Frequenzen zugeführt werden und bei der die Frequenz der Lampe geändert wird, beispielsweise um die Lichtleistung oder die Farbe des Lichts, die von der Lampe erzeugt wird, zu variieren. Dies betrifft jedoch zwei separate Frequenzen oder eine Frequenz, die innerhalb eines Frequenzbereichs kontinuierlich variiert.
Die aus der ersten Literaturstelle bekannte Schaltung hat den Nachteil, dass im Laufe der Zeit, beispielsweise aufgrund thermischer Phänomene, die Eigenschaften der Lampe sich so ändern, dass bei einer vorbestimmten Energieversorgungsfrequenz, bei der anfangs keine akustische Resonanz auftrat, nach einer Zeitperiode akustische Resonanz beginnen kann, aufzutreten. Dies kann in den vorstehend dargelegten Nachteilen resultieren.
Schließlich beschreibt der Journalartikel „White-Noise Modulation of High-Frequency High-Intersity Discharge Lamp Ballasts" von Laskai et al. eine Schaltung, bei der die Energie bzw. Leistung in einer zufälligen Verteilung kontinuierlich moduliert wird, um unter anderem eine akustische Resonanz zu verhindern. Eine schrittweise Variation der Frequenz ist hier auch nicht beschrieben.
Aus EP-A-0 397 334 geht ein Wechselrichter zur Versorgung einer Gasentladungslampe hervor, der aufweist:

– eine Gleichspannungsquelle,
– wenigstens zwei in einer Brückenschaltung angeordnete Schaltelemente,
– eine Steuerschaltung zur Steuerung der Schaltelemente. so, dass die Brückenschaltung kontinuierlich eine Wechselspannung erzeugt,
– wenigstens eine mit einem der Ausgangsanschlüsse der Brückenschaltung verbundene Ballastinduktivität, und
– wenigstens eine zwischen die Ballastinduktivität und den anderen Ausgangsanschluss der Brückenschaltung geschaltete Gasentladungslampe, wobei die Steuerschaltung ausgebildet ist zum Anlegen an ihre Ausgangsanschlüsse eines Steuersignals zu den Schaltelementen der Brückenschaltung, so dass die von der Brückenschaltung erzeugte Wechselspannung die Frequenz sprunghaft bzw. schrittweise in der Zeit zwischen wenigsten drei Frequenzen ändert.

Bei diesem Wechselrichter des Standes der Technik werden die Frequenzen ohne eine Relation zu der frequenzabhängigen Energie bzw. Leistung, die der Lampe zugeführt wird, gewählt. Dies kann zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Energie- bzw. Leistungs-Frequenzspektrums führen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb, eine solche Schaltung bereitzustellen, bei der das Energie- bzw. Leistungs-Frequenzspektrum gleichmäßiger verteilt ist.
Die vorliegende Erfindung gemäß dem Anspruch 1 stellt das Merkmal bereit, dass die Zeitdauer, für die ein Signal einer vorbestimmten Frequenz erzeugt wird, vom Wert der Frequenz abhängt, und dass die Zeitdauer, für die eine hohe Frequenz erzeugt wird, länger ist als die Zeitdauer, in der eine niedrige Frequenz erzeugt wird.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, in denen:
1 eine schematische Darstellung einer Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine Darstellung der Sequenz der verschiedenen Frequenzen gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt;
3 eine mit der 2 korrespondierende Darstellung einer zweiten Ausführungsform zeigt; und
4 eine schematische Darstellung einer Spannungsquelle mit variabler Spannung, die bei der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann, zeigt.
In 1 ist ein Wechselrichter 1 gezeigt, der von einer Gleichspannungsquelle 2 versorgt wird. Letztere ist beispielsweise durch einen Gleichrichter, beispielweise einen steuerbaren Gleichrichter gebildet, der eine von einer Wechselspannungsnetzversorgung kommende Wechselspannung gleichrichtet. Es ist andernfalls auch möglich, von einer Gleichspannungsnetzversorgung Gebrauch zu machen.
Der tatsächliche Wechselrichter 1 weist vier Schaltelemente 3, 4, 5, 6 auf, die in der Form einer Brücke geschaltet sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Schaltelemente jeweils durch bipolare Transistoren gebildet. Es ist klar, dass es möglich ist, andere Schaltelemente wie beispielsweise FETs oder aus Halbleiterkonfigurationen aufgebaute andere Elemente zu verwenden. Parallel zu jedem dieser Elemente ist eine Freilaufdiode 12 geschaltet.
Die Lampenschaltung ist mit den Ausgangsanschlüssen 7, 8 verbunden. Die Lampenschaltung ist aus einer Vorschalteinrichtung bzw. Drossel bzw. einem Ballast 9 und einer Gasentladungslampe 10 gebildet. Zur Steuerung der Schaltelemente 3, 4, 5, 6 ist eine Steuerschaltung 11 angeordnet. Die Steuerschaltung ist im Wesentlichen aus beispielsweise einem Mikroprozessor gebildet, der mit einer geeigneten Treiberschaltung zum Betreiben der Steuerelektroden der Schaltelemente versehen ist. Vorzugsweise wird von einem Mikrokontroller, der mit einem Sequenzzähler versehen ist, Gebrauch gemacht.
Die Steuerung hier ist so, dass die Frequenz des an den Ausgangsanschlüssen 7, 8 erzeugten Signals von der damit verbundenen Impedanz unabhängig ist. In diesem Fall bildet deshalb die Vorschalt- bzw. Drossel- bzw. Ballastspule 9 keinen impliziten Teil der Oszillatorschaltung.
Es ist somit klar, dass die Steuerschaltung 11 die Frequenz des Ausgangssignals vollständig bestimmen kann.
Die Frequenz wird hier so bestimmt, dass sie in diskreten Zeitintervallen sprunghaft bzw. schrittweise variiert.
Eine solche Konfiguration ist beispielsweise in 2 bzw. 3 gezeigt. Hier ist beispielsweise während der ersten Zeitdauer vom Zeitpunkt t₀ zum Zeitpunkt t₁ die Frequenz der Oszillatorschaltung gleich F₁, vom Zeitpunkt t₁ bis t₂ gleich F₄, von t₂ bis t₃ gleich F₂ usw. gewählt.
Bei dieser Ausführungsform weist der Startpunkt sechs separate Frequenzen auf, die beispielsweise im Speicher der Steuerschaltung 11 gespeichert sind. So wird vermieden, dass die Lampe für eine derart lange Periode bei einer speziellen Frequenz betrieben wird, dass eine bei dieser Frequenz möglicherweise auftretende akustische Resonanz in Zerstörungsphänomenen resultiert. Die Frequenz ist schon wieder in eine andere Frequenz geändert worden bevor dies der Fall ist.
Es ist jedoch möglich, eine Auswahl aus einer größeren Anzahl von Frequenzen zu treffen.
Es ist ebenso nicht notwendig, die Frequenzen wiederholt durch einen Zyklus laufen zu lassen, sondern anstelle dessen können die Frequenzen in einer zufälligen Sequenz gewählt werden.
Bei dieser Ausführungsform wird immer eine auf eine erste Frequenz folgende Frequenz ausgewählt, die durch wenigstens eine andere Frequenz getrennt ist. Die sukzessiven Frequenzen sind auf diese Weise relativ weit voneinander entfernt angeordnet. Damit wird erreicht, dass, wenn bei einer zufälligen Frequenz eine akustische Resonanz auftreten sollte, die folgende Frequenz so weit davon entfernt angeordnet ist, dass sicher keine akustische Resonanz bei der folgenden Frequenz auftritt.
Bei der vorstehend dargelegten Ausführungsform sind die Zeitdauern, das heißt die Zeitdauern zwischen den Zeitpunkten t₀, t₁, t₂ usw., immer die gleichen. Gemäß einer anderen Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, sind die Zeitdauern, für die eine Frequenz erzeugt wird, proportional zur Frequenz. Hier wird der Versuch gemacht, das Energie- bzw. Leistungs-Frequenzspektrum soviel wie möglich zu verteilen. Die Energie- bzw. Leistungsversorgung der Lampe ist als Resultat des Vorhandenseins der Induktivität 9 in jedem Fall umgekehrt proportional zur Frequenz.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform wird die Frequenz zwischen zwei sukzessiven Zeitpunkten in einem sehr schwachen Ausmaß moduliert. Die Gefahr einer akustischen Resonanz ist hier noch weiter reduziert.
Bei der Auswahl der Frequenzen und der Zeitdauern kann außerdem eine Strategie angewendet werden, die auf eine Energie bzw. Leistungsregulierung der Lampe abzielt. Bei Nennspannung weisen Gasentladungslampen eine Energie bzw. Leistung auf, die als Resultat eines Alterungsprozesses graduell variiert. Durch Anpassung von Frequenz und Zeitdauer kann dieses Phänomen kompensiert werden. Die Frequenz- und Zeitdauerregulierung kann natürlich auch zum Variieren der Lichtleistung benutzt werden, um einen Dimmerbetrieb zu erhalten.
Es ist außerdem möglich, während des Hochfahrens bzw. Einschaltens der Lampe die Kollektion von Frequenzen und die zugeordneten Zeitdauern so zu wählen, dass das Hochfahren bzw. Einschalten so optimal wie möglich stattfindet. Die Eigenschaften einer Gasentladungslampe ändern sich immer während des Hochfahrens bzw. Einschaltens als eine Folge der Zunahme der Temperatur und dgl.
Schließlich ist es auch, wenn, wie in 2 bzw. 4 gezeigt, eine Energie- bzw. Leistungsversorgungsquelle mit einer variablen Spannung benutzt wird, möglich, die davon hervorgerufene Spannung zu variieren, wodurch die der Lampe zugeführte Energie bzw. Leistung variiert werden kann. Diese Energie- bzw. Leistungsregulierung kann mit einer Variation der Kollektion von Frequenzen und Variation der Länge der verschiedenen Zeitdauern kombiniert werden.
Die einstellbare Spannungsquelle wird von einer alternierenden Spannungsquelle zu 25 versorgt und weist ein Netzfilter 26, einen Gleichrichter 27 und ein steuerbares Steuerelement, beispielsweise einen FET 12, eine Glättungsdrossel 13, eine Diode 14 und einen Strommesswiderstand 15 auf. Zur Steuerung ist eine Steuerschaltung 16 angeordnet. Diese kann mit der Steuerschaltung 4 der vorstehenden Ausführungsformen kombiniert werden.
Solche Steuerschaltungen sind per se bekannt, beispielsweise als die kommerziell erhältliche Schaltung MSC 60028.
Die Steuerschaltung 16 ist mit beiden Seiten des Strommesssensors 15 verbunden. Die Steuerschaltung 16 ist außerdem mittels eines steuerbaren Rückkopplungsnetzwerks 18 mit den Ausgangsanschlüssen verbunden. Das Rückkopplungsnetzwerk 18 weist einen zwei Widerstände 19, 20 aufweisenden Widerstandsteiler und ein steuerbares Dämpfungsnetzwerk auf, das parallel zum zweiten Widerstand 20 geschaltet ist und das bei der vorliegenden Ausführungsform durch eine Parallelschaltung aus vier Serienschaltungen aus jeweils einem Widerstand 21 und einem elektronischen Schalter 22 gebildet ist.
Durch Steuerung jedes der vier Schalter 22 kann deshalb die Dämpfung und infolgedessen die Ausgangsspannung auf 16 unterschiedliche Werte eingestellt werden, was durch die Steuerschaltung 16 steuerbar ist. Dies resultiert in einer extensiven Einstellungsoption mit einfachen Mitteln.
Die Werte der Widerstände 19, 20, 21 werden natürlich so gewählt, dass die Ausgangsspannung der Schaltung in der Nähe der Nennspannung, beispielweise zwischen 350 V und 450 V variiert werden kann.

Claims

Wechselrichter (1) zur Versorgung einer Gasentladungslampe (10), aufweisend: – eine Gleichspannungsquelle (2), – wenigstens zwei in einer Brückenschaltung angeordnete Schaltelemente (3–6), – eine Steuerschaltung (11) zur Steuerung der Schaltelemente so, dass die Brückenschaltung kontinuierlich eine Wechselspannung erzeugt, – wenigstens eine mit einem der Ausgangsanschlüsse, (7, 8) der Brückenschaltung verbundene Ballastinduktivität (9), und – wenigstens eine zwischen die Ballastinduktivität (9) und den anderen Ausgangsanschluss (7) der Brückenschaltung geschaltete Gasentladungslampe (10), – wobei die Steuerschaltung (11) ausgebildet ist zum Anlegen an ihre Ausganganschlüsse eines Steuersignals zu den Schaltelementen (3–6) der Brückenschaltung, so dass die von der Brückenschaltung erzeugte Wechselspannung die Frequenz schrittweise in der Zeit zwischen wenigstens drei Frequenzen ändert, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer, für die ein Signal einer vorbestimmten Frequenz erzeugt wird, vom Wert der Frequenz abhängt, und dass die Zeitdauer, für die eine hohe Frequenz erzeugt wird, länger ist als die Zeitdauer, in der eine niedrige Frequenz erzeugt wird.
Wechselrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der erzeugten Wechselspannung in einer Zeitdauer mit im Wesentlichen konstanter Frequenz in geringem Ausmaß moduliert wird, wobei die Frequenzänderung kleiner als die Differenz zwischen Frequenzen, die während unterschiedlicher Zeitdauern erzeugt werden, ist.
Wechselrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugten Frequenzen von einer Kollektion diskreter Frequenzen ausgewählt werden, und dass zeitlich aufeinanderfolgende Frequenzen durch wenigstens eine Zwischenfrequenz getrennt sind.
Wechselrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Gleichspannungsquelle (2) erzeugte Spannung einstellbar ist.
Wechselrichter (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle eine regulierende Schaltung, der die Ausgangsspannung der Schaltung über ein steuerbares Rückkopplungsnetzwerk zugeführt ist, aufweist.
Wechselrichter (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Spannungsquelle (2) erzeugte Spannung zur Einstellung der Leistung, die der Lampe zugeführt wird, gesteuert wird.
Wechselrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (11) fernsteuerbar ist.
Wechselrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (11) ausgebildet ist zum Steuern der Frequenz und der Zeitdauer der Frequenz der Brückenschaltung (3–6), um dadurch die der Lampe (10) zugeführte Leistung einzustellen.
Wechselrichter (1) nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (11) ausgebildet ist zum Auswählen der Frequenzen während der Einschaltphase der Lampe (10) derart, dass die Lampe (10) optimal eingeschaltet wird.