EP0490329A1 - System zur Steuerung der Helligkeit und des Betriebsverhaltens von Gasentladungslampen - Google Patents

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EP0490329A1
EP0490329A1 EP91121150A EP91121150A EP0490329A1 EP 0490329 A1 EP0490329 A1 EP 0490329A1 EP 91121150 A EP91121150 A EP 91121150A EP 91121150 A EP91121150 A EP 91121150A EP 0490329 A1 EP0490329 A1 EP 0490329A1
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Tridonic Bauelemente GmbH
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Definitions

  • the invention relates generally to an electronic ballast (EVG) for fluorescent lamps.
  • EMG electronic ballast
  • circuit arrangements within the electronic ballast and a method for controlling the brightness and the operating behavior of fluorescent lamps.
  • Modern electronic ballasts are used to control fluorescent lamps. On the one hand the fluorescent lamps are operated more gently and on the other hand the efficiency of such lamp types can be increased.
  • An electronic ballast regularly has the features specified in the preamble of claim 1.
  • a supply voltage which can be a direct or alternating voltage, is fed to a rectifier and an intermediate circuit capacitor via a mains input filter. If the device is operated exclusively with DC voltage, the latter rectifier can be omitted.
  • a high intermediate circuit voltage U0 is formed on the intermediate circuit capacitor, which is of the order of magnitude of approximately 300 V with a conventional mains voltage supply of 220 V.
  • An AC voltage generator is connected to the DC link, which is formed by a half-bridge or full-bridge inverter. It outputs a frequency-variable output voltage to an output load circuit which, unless a half-bridge circuit with an artificial voltage means tap is provided, has a series resonance circuit. The discharge path of the gas discharge lamp or fluorescent lamp to be controlled is in series with the series resonance circuit.
  • the output frequency of the inverter is approximately 10 kHz - 50 kHz.
  • the efficiency of the connected fluorescent lamps is increased compared to operation on the 50 Hz supply network.
  • An increased luminous efficiency is achieved with the same electrical power consumption.
  • the inductance of the series resonant circuit on the output side of the inverter can be kept small.
  • the variable frequency control allows brightness control of the fluorescent lamp, which is difficult to regulate (dimmable) on the normal network.
  • An ignition of the fluorescent lamp can also be prepared and initiated via the frequency control.
  • the aforementioned ignition process also includes a so-called warm start, in which the heating filaments of the fluorescent lamp are preheated before the lamp is subjected to a high ignition voltage due to resonance phenomena, which leads to ignition and thus to the operation of the gas discharge lamp.
  • the variation of the frequency, which controls the ignition allows an almost infinitely variable brightness control within wide limits even during operation of the gas discharge lamp. Such a continuous and continuous control of the brightness requires special measures due to the negative internal resistance of the fluorescent lamp in operation.
  • An essential aspect for the development of a modern electronic ballast is therefore a control option that is as versatile as possible, in particular a brightness control. This with regard to the operating behavior and the brightness control of the fluorescent lamps connected to a respective electronic ballast.
  • the method according to the invention makes it possible to handle the control functions and the brightness control particularly precisely and comfortably.
  • a control and regulating device is provided, which takes over all essential control, regulating and monitoring functions for a decentralized ECG. It is assigned a transmitting and receiving device that serves as an interface to the outside. Control commands and brightness commands can be supplied here, which are executed by the control and regulating device, depending on the currently valid process variables (measured variables) of the respective decentralized ECG.
  • a pair of fluorescent lamps are advantageously operated on an AC voltage generator in a respective decentralized ECG. This corresponds to a so-called two-lamp electronic ballast.
  • the control and regulation device allows a targeted increase in the lifespan of the fluorescent lamps and the granting of safety interests.
  • the operating behavior and the respective operating state of the fluorescent lamps supplied by an electronic ballast can be precisely controlled and monitored by means of the aforementioned control and regulating device. In this way, warm start, ignition, dimming and switch-off processes (IGNITION, DIMM, OFF, ON) are strung together with high precision and gentle on the lamp. Inadmissible operating conditions are avoided, and sufficient heating of the heating coils is ensured before each ignition.
  • DIMM dimming and switch-off processes
  • the entire ECG can also be shut down (SLEEP) if no brightness is required for a long period of time. In this state, the ECG consumes only a minimal amount of power. Avoidable losses are actually avoided.
  • EMERGENCY emergency operation
  • the lamp assumes an emergency lighting light level. This can be specified locally on the respective device. It is automatically activated under certain hazard conditions.
  • the transmitting and receiving device is advantageously connected to a central control device via a bidirectional bus line (claim 4).
  • a bidirectional bus line (claim 4).
  • the control unit also provides operating status information. Errors that occur in the lighting system are recognized and displayed on the basis of error messages sent by the decentralized ECGs via the bidirectional bus line have been sent to the central control unit. This simplifies and speeds up maintenance work.
  • a variety of monitoring functions are already provided decentrally, such as overvoltage and undervoltage monitoring (claim 6). It noticeably increases the lifespan of the fluorescent lamps.
  • the brightness control of the decentralized ECGs takes place via serial digital control words which represent control commands or brightness data information (claim 13).
  • serial digital control words which represent control commands or brightness data information (claim 13).
  • the coupling of the transmitting and receiving devices to the bus line is advantageously effected by a differentiating element. It provides a strong attenuation of the 50 Hz network frequencies and works with very low input currents. The attenuation of the network frequencies goes so far that reverse polarity protection is also provided, the application of 220 V to the bus line remains without damage (claim 15).
  • the fluorescent lamps are switched to dimmed operation after an ignition process, there may be short-term light pulses. They have their cause in the energy of the ignition process stored in the output circuit, which then manifests itself undesirably as a light pulse in dimmed operation.
  • This can be remedied by extending the glow phase - which actually shortens the lifespan - between ignition and stationary operation (claim 16).
  • an actual shortening of the service life is avoided by the fact that the glow area is only extended at low brightness values. The greater the brightness, the shorter the glow phase and the faster the transition from ignition to normal operation (claim 17).
  • the control and regulating device is supplied with a plurality m of measured variables from the electronic ballast, a large number of operating states and possibly dangerous states can be identified and avoided therefrom. Furthermore, real power control is possible, which works regardless of the lamp type (for example, argon lamps or krypton lamps).
  • the lamp brightness control is advantageously achieved by frequency modulation (claim 21) or by a combination of frequency modulation and duty cycle change (claim 12).
  • Monitoring also includes checking the heating coil currents of the fluorescent lamps. They allow a precise determination of whether certain lamps are defective or possibly not installed at all (claim 23).
  • the inductive balancing element effects a symmetrical operation of both fluorescent lamps (claim 28).
  • the lamp-specific heat exchangers which are connected with their primary winding to the AC voltage output circuit, enable voltage-controlled coil heating (claim 31).
  • the control and regulating device can draw conclusions about the nature of the heating coil at any time via primary current detection and thus identify already damaged fluorescent lamps or fluorescent lamps that will soon fail (claim 32).
  • the mains voltage U N is supplied to the input circuit 20 (rectifier circuit), possibly via a switch S1. This generates the intermediate circuit voltage U0, U dc , which is fed to the AC voltage generator 30 (inverter).
  • the AC voltage generator 30 outputs its high-frequency output voltage U HF to an output load circuit 40 which contains one or more fluorescent lamps LA1, LA2.
  • a plurality of system measured values can be taken from both the AC voltage generator 30 and the load circuit 40. Together, the measured values are fed to a control and regulating circuit 17, which in turn generates the digital control signals for the inverter 30.
  • control and regulating device 17 is also assigned a transmitting and receiving device 10, which is connected via a bus line 12 to other electronic ballasts and / or to a central control device 50.
  • a plurality of electronic ballasts 60-1, 60-2, 60-3, ..., 60-i are connected to a common bus line 12. All ECGs are connected via this bus line to the central control device 50, to which a display unit 51 is assigned. Via bus line 12, it is now possible to control one or more of the aforementioned electronic ballasts and to transmit commands to them, such as switching off, switching on, igniting or the like. Brightness values can also be preset and, in return, error information can be queried from the individual devices. The control unit 50 is thus informed of the overall system status at all times, which means that a high degree of operational reliability can be guaranteed and accelerated maintenance of the decentralized ECGs or for their fluorescent lamps is possible.
  • FIG. 3 shows the control and regulating device 17 as an integrated circuit.
  • the plurality of measured values m which correspond to the process signals of FIG. 1 are fed to it. It gives two digital control signals for the output stage transistors of the inverter 30, which are amplified and potential-shifted via a driver circuit 31.
  • control and regulating device 17 is also supplied with n target values. These influence the predeterminable control behavior. Furthermore, a transmitting and receiving device 10 is provided as part of the control and regulating circuit 17 or separately, which is connected directly or by means of a coupling circuit to the bus line 12. It forms the serial interface, which enables the control and regulating device to transmit error and operating status information to the central control device 50.
  • Setpoints can also be supplied to this transmitting and receiving device 10, which they pass on to the control and regulating circuit 17 after appropriate preparation.
  • Setpoints can be, for example, the emergency lighting level (NOT), the minimum brightness level (MIN) and the maximum brightness level (MAX), within the latter of which the specifiable brightness level (DIMM) can move during operation.
  • Serial digital data words are used as command and data words and as error information words. Other value lengths are possible.
  • An address is assigned to each decentralized ECG, which makes it possible to address individual ECGs via the address of the transmitting and receiving device 10 and to query information from them or to issue commands to them.
  • the bidirectional mode of operation of the bus line 12 enables a large number of decentralized electronic ballasts to be connected to a central control unit (50) without problems and with little effort.
  • FIG. 4 shows a basic circuit diagram of an input circuit as can be used for supplying the alternating voltage generator 30 from a supply network with the voltage U N.
  • the input circuit consists of capacitive input filters and possibly a harmonic choke.
  • the Y-circuit capacitors are used for radio interference suppression.
  • a surge arrester or a VDR is connected in parallel. This is followed by a full-wave rectifier, which can be omitted if the device is operated with direct voltage.
  • Downstream of the rectifier is an intermediate circuit capacitor C4, which charges up to approx. 300 V with a residual ripple of approx. 10% at 220 V mains voltage.
  • the intermediate circuit voltage U0 Due to a crest factor to be kept low, the intermediate circuit voltage U0 should be smoothed well.
  • a voltage divider R18, R28 Parallel to the intermediate circuit capacitor C4 is a voltage divider R18, R28, from which a measurement signal proportional to the intermediate circuit voltage can be tapped.
  • a signal which is proportional to the supply voltage is detected at a low-pass filter R21, C25 and, like the intermediate-circuit voltage-dependent measurement signal, is fed to the control and regulating device 17. Both measurement signals are used to monitor the supply voltage and thus the operational safety of the ECG.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a load circuit 40 according to the invention with a heat exchanger L5 for preheating the filaments of the fluorescent lamp LA1.
  • the exemplary embodiment of the invention has a pair of these branches, that is to say two fluorescent lamps LA1, LA2 at an AC voltage output which emits the high-frequency AC voltage U HF between the series-connected power switching transistors V21 and V28.
  • the AC voltage generator is supplied with an intermediate circuit voltage U dc from the input circuit 20 shown in FIG. 4. Since the fluorescent lamps have a negative internal resistance during operation, they must be supplied with high voltage peaks during the ignition process (ZÜND) and with appropriate heating energy when heating the filaments.
  • a series resonance circuit L2, C15 leads via a balancing element TR1, which will be explained later, to the discharge path H2, H4 of the fluorescent lamp. Furthermore, a measuring resistor R32 is connected in series with the fluorescent tube, at which a voltage proportional to the lamp current I L1 is tapped and fed to the control and regulating circuit 17.
  • An ignition capacitor C17 is connected to ground (ZERO) between coil L2 and capacitor C15.
  • Parallel to the ignition capacitor C17 is also the primary winding of the heat exchanger L5 and in series with this a Zener diode V15 and a measuring resistor R10.
  • a voltage proportional to the heating coil current I W1 is tapped from the latter and fed to the control and regulating circuit 17 as a further system measurement variable. Since the inverter 30 impresses an output voltage and the heat exchanger is essentially parallel to the fluorescent lamp LA1, a voltage is impressed on its secondary windings via the heat exchanger. The two secondary windings each supply one of the two heating coils H1, H2 and H3, H4 potential-free. The sum of the heating coil currents I W1 is thus measured at the primary-side measuring resistor R10.
  • the Zener diode V15 which is still connected in series, generates a direct current component in the primary winding of L5, which, however, is not transmitted, but is missing in the lamp current I L1 and thus supplies the discharge of the lamp with an additional direct current component in the order of approximately 1% of the actual discharge current .
  • the "running layers” consist in particular of light / dark zones which occur during dimming and run along the tube at a predetermined speed. A superimposition of low direct current accelerates this running effect in such a way that it no longer has a disturbing effect.
  • the inverter 30 is operated at a high frequency f max , so that an AC voltage occurs at C17 which is not suitable for igniting the lamp LA1.
  • the filaments of the lamp are heated via L5, the lamp absorbing a high and then a lower heating current due to the thermistor effect of the filaments.
  • the ignition (IGNITION) of the lamp is initiated.
  • the frequency f of the inverter 30 is reduced so that it comes closer to the resonance frequency f of the output series resonance circuit L2, C15. This creates a voltage surge at C17, which is of the order of approximately 750 V (peak). This will ignite a functional lamp.
  • the series resonance circuit L2, C15 or L3, C16 is strongly damped. On the one hand, this causes a shift in the resonance frequencies f0 and, on the other hand, an immediate drop in the AC voltage at the respective lamp. The decrease is detected by the control and regulating circuit 17 via the voltage divider R27, R25 connected in parallel to the lamp. This then initiates the actual operating phase (DIMM) of the lamps.
  • DIMM actual operating phase
  • the frequency f of the inverter 30 is regulated so that the lamp output corresponds to the predetermined target value, ie the desired brightness level.
  • the operating frequency of the alternating voltage generator 30 can also be shifted to values which are in the order of magnitude of the heating frequency or above.
  • An output frequency can also be set at a maximum power (MAX) is below the ignition frequency, but still above the resonance frequency of the series resonance circuit L2, C15.
  • MAX maximum power
  • the operating state of the lamp circuit 14 can vary greatly depending on the lamp used, for example argon or krypton lamps, or depending on the lamp power selected.
  • the combination of the capacitor C24 and the diodes V30, V31 results in a frequency-dependent damping of the output circuit when the voltage rises. It is particularly important when there are high frequencies and high impedances, e.g. if there is no lamp or if the filament is already warm.
  • the wiring of this type helps to limit the voltage rise when the lamp is not ignited or missing when it is undesirable.
  • C24 is selected so that the damping remains small enough at the time of ignition.
  • Fig. 6 shows the output circuit of Fig. 5 for the two-lamp - two fluorescent lamps on an inverter - operation.
  • the symmetry transformer TR1 is also shown here in full. Each winding is traversed by one of the two lamp currents. This happens in opposite directions, so that in the event of a deviation in the current amplitude, a resulting magnetization occurs, which induces a voltage in the inductive element which has a symmetrical effect.
  • Such a transformer is advantageous if the two lamps would burn differently bright in the dimmed state due to component tolerances and lamp tolerances as well as different temperature conditions.
  • the symmetry element TR1 avoids this in the case of two-lamp luminaires. If several arrays of lamps are operated at an AC generator output, such a balancing element TR1 must be provided for each pair.
  • a signal proportional to the lamp current is obtained from them, which signal can be multiplied in the control and regulating circuit 17 by the aforementioned lamp voltage signal is. In this way it is ensured that at any time of the actual lamp power is P or E brightness proportional signal is available, which can be preset to a precise brightness control as the feedback.
  • FIG. 7 shows the inverter 30 in more detail with its output power transistors V28, V21. Between them, the high-frequency AC voltage U HF is output to the load circuit 40 explained above.
  • the two power transistors are controlled via a control circuit 31, which receives its control signals from the control and regulating circuit 17. Possibly. unbalanced turn-off / turn-on delays come into consideration for the respective transistors, so that a common conduction of both transistors V21, V28 can be avoided in principle.
  • the upper transistor is supplied via a bootstrap circuit (not shown), the lower transistor and the system controller 10, 17, 31 receive their drive voltage via a series resistor and a smoothing capacitor C5 from the intermediate circuit voltage U0.
  • the current that can be supplied to the smoothing capacitor C5 through the series resistor or a current source I q is sufficient to supply the IC31 and the control and regulating circuit 17 in the switched-off mode (SLEEP).
  • the load circuit 40 of the inverter 30 is in an impermissible capacitive range. It represents a danger for the controlling inverter.
  • a phase angle analysis can also be used in which the load current I L1 is set in relation to the inverter branch current I max and from this the relative phase of both currents is used to detect the operating state.
  • Detection of an impermissible capacitive operating behavior is answered by the control circuit 17 by increasing the operating frequency f of the inverter 30, with which the load circuit 40 is again operated inductively.
  • the above-mentioned capacitive mode of operation mainly occurs with a low supply voltage. With the branch current detection, destruction of components can be safely avoided.
  • the digital interface 10 shows the transmitting and receiving device 10 and the coupling filter connected upstream of it, with which the bus coupling to the control line 12 takes place.
  • the digital interface 10 is given the setpoints for minimum, maximum and emergency lighting brightness (U NOT , U MIN , U MAX ).
  • a digital input DAT is provided, via which both the control signals arrive from a central control device to the decentralized ECG and the error signals are transmitted from the decentralized ECG to the central control device.
  • the serial interface enables remote control of the electronic ballast by means of a digital command signal or command word.
  • An 8 bit data word is provided as such a digital signal.
  • FIG. 8c An advantageous further development of this circuit is shown in FIG. 8c.
  • the circuit is protected against polarity reversal by using a secondary winding with center tap.
  • Optical coupling can also be used, but this has an increased power consumption.
  • control signals 255 (corresponding to 8 bit) brightness values are provided as control signals.
  • the control signal "OFF”, represented by the binary word “zero” is also possible. With the aforementioned signal OFF, the entire ECG switches to an energy-saving shutdown mode (SLEEP) immediately or after a short period of time. In him the Measuring current consumption of the entire ballast minimal.
  • the inverter 30 and the control circuit 31 are shut down and, after a slight further time delay, if necessary, the essential assemblies of the control and regulating circuit 17. Only the receiving circuit of the transmitting and receiving device 10 and the monitoring circuit for the detection of an emergency operation (EMERGENCY) remain activated. The total circuit power thus drops below 1 W.
  • control and regulating circuit 17 immediately carries out the switch-on sequence, which, with preheating and ignition process (IGNITION), transfers to steady-state operation and is used for one immediate setting of the desired brightness value (DIMM) is ensured.
  • IGNITION preheating and ignition process
  • control and regulating circuit 17 is also responsible for extracting the information from all of the aforementioned process variables which are important for monitoring and controlling the electronic ballast.
  • the various operating states of the fluorescent tube can also be distinguished by the measured variables.
  • the measured process variables and those used for checking are summarized below: Supply voltage U ac , U N , Under / overvoltage U Nmin , U Nmax , Battery voltage U B , DC link voltage U0, U dc , Lamp current / operating current I L1 , I L2 , Lamp voltage U L1 , U L2 , Output voltage U HF , Output current I HF , Spiral current I W1 , I W2 , AC generator branch current I chap .
  • the control and regulating circuit 17 switches off all functions when the voltage becomes too high, and can only function again when the voltage has been switched off and on again.
  • An emergency mode switchover to a predeterminable emergency lighting brightness takes place, for example, when a DC voltage U N is detected by the control circuit 17 via the usual AC supply input of the switch-on circuit 20 and via the sensors R21, C25 (FIG. 4).
  • a counter logic is used, which initiates emergency operation if the specified threshold value is not exceeded or undershot. This can happen after a specified dead time that bridges individual, possibly missing, half-waves.
  • an emergency voltage supply U B which is obtained from batteries or a generator, is placed on the mains voltage line.
  • the ECGs recognize this automatically.
  • the brightness of the fluorescent lamps is no longer specified by the digitally specified brightness value DIMM, but by a trim value that can be specified locally on the device and can be specified via the input U NOT .
  • the ECG is in switch-off mode (SLEEP) when this emergency operation occurs, ie the lamp and inverter are switched off, it will first carry out the normal ignition process (IGNIT) in order to subsequently switch to the emergency operating brightness.
  • SLEEP switch-off mode
  • the electronic ballast When the end of the emergency operating state is recognized, the electronic ballast returns to the previous state; this can be the OFF state if the electronic ballast was previously there. However, this can also be the original brightness value (DIMM), if this was available before requesting emergency operation.
  • DIMM original brightness value
  • the detection of the filament current detects whether either a lamp is not inserted or one of the two filaments is broken.
  • the inverter 30 is operated at its maximum frequency f max , which on the one hand results in the heating current still flowing when the defective lamp has been replaced and on the other hand reduces the voltage on the defective lamp to the smallest possible extent .
  • f max maximum frequency
  • the inductive part of the series resonance circuit in the output becomes so high at the above-mentioned high frequency f max with respect to the capacitive resistance of the ignition capacitor C17 that the voltage at the output is limited to harmless values and there is no danger for the maintenance personnel.
  • the ignition process (IGNITION) is initiated without waiting for the preheating time to elapse.
  • the internal sequence control in the control and regulating circuit 17 also limits the number of start attempts to two and sets (sends) whenever there is an error, e.g. B. the lamp is missing if a filament break or a gas defect is present, an error signal via the transmitting and receiving device 10 on the bidirectional bus 12. This also applies in emergency mode, since emergency mode cannot be maintained if the lamp is defective.
  • an error e.g. B. the lamp is missing if a filament break or a gas defect is present
  • Wiring errors that lead to a short circuit in the discharge path of the lamp can then be detected on the basis of the process signals if the lamp voltages are monitored for a predetermined minimum value. If the value falls below this specified value, as in the case of the mains overvoltage monitoring, the entire ECG is switched off.
  • the unwillingness to ignite the lamp e.g. B. by gas defect, is recognized by the control and regulating circuit 17. If the lamp cannot be ignited within a predetermined ignition timing, i. H. if the voltage across the ignition capacitor C17 does not drop within this period, the said lock is activated.
  • a repeat time can also be waited for after which a new attempt to start and start is made. If no ignition success is achieved here either, the control and regulating circuit 17 reacts as in the case of a broken heating coil and sets the frequency of the inverter 30 to the maximum value f max .
  • FIG. 9 shows a brightness-time diagram in which the brightness of the lamp controlled by the electronic ballast according to FIG. 1 is varied as a function of time.
  • maximum brightness is provided, followed by a switch-off cycle specified via the bus line 12 and the digital interface 10.
  • the brightness is acc. a predetermined slope reduced to zero, then the inverter 30, its driver circuit 31 and essential parts of the control IC 17 turn off to save electricity.
  • a subsequent emergency lighting condition leads - despite switched off system - for a controlled ignition and a build-up of the brightness of the lamp to the preset emergency lighting brightness (NOT).
  • NOT preset emergency lighting brightness
  • This can be changed via the setpoint specification U NOT for each decentralized ECG.
  • the maximum and minimum brightness value (MIN, MAX) shown in FIG. 9 can be set or adjusted via a corresponding setpoint value.
  • a program-controlled "soft start” is shown schematically in FIG. 10 as a brightness-time diagram.
  • the ECG 60 is initially in the switched-off state (OFF).
  • the "Softstart” command now leads either to an automatic, slope-controlled increase in lamp brightness - after it has been ignited - or to a program-controlled incremental increase in lamp brightness levels. In the latter case, the central control unit 50 sends incrementally increasing brightness values in certain time segments.
  • the decentralized ECGs follow the requirements almost without delay. This enables a change-rate-controlled (regulated) rise and fall of the decentralized light sources.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Steuerung der Helligkeit und des Betriebsverhaltens von Gasentladungslampen. Das Verfahren steuert die Helligkeit und das Betriebsverhalten von Gasentladungslampen über ein elektronisches Vorschaltgerät, welches einen in seiner Ausgangsfrequenz variierbaren Wechselspannungsgenerator (WR,30) und einen Lastkreis (40) aufweist, der mindestens einen Reihenschwingkreis (L3, C14) und mindestens eine Gasentladungslampe (LA1) enthält und der von dem Wechselspannungsgenerator mit einer variierbaren Wechselspannung (UHF) gespeist wird. Das genannte Verfahren soll es ermöglichen die Steuerfunktion und die Helligkeitsregelung besonders genau und komfortabel zu handhaben. Dies wird dadurch erreicht, daß eine Steuer- und Regeleinrichtung (17) und eine Sende- und Empfangseinrichtung (10) vorgesehen werden, welcher über einen digitalen Steuereingang (DAT) Befehle zur Steuerung und Regelung der Helligkeit (E) und des Betriebszustandes (SLEEP, DIMM,ZÜND) der mindestens einen Gasentladungslampe (LA1) zugeführt werden. Die Erfindung betrifft auch eine vorgenannte Schaltungsanordnung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens, die eine Steuer- und Regeleinrichtung (17) aufweist, der eine Mehrzahl (m) von Meßgrößen, wie Lampenstrom (IL1), Lampenwechselspannung (UL1), Heizwendelstrom (IW1), Wechselspannungsgenerator-Zweigstrom (iKap), Wechselrichter-Ausgangsspannung (UHF) und Zwischenkreis-Gleichspannung umittelbar dezentral zuführbar sind sowie eine Mehrzahl (n) von System-Sollwerten, wie Notbeleuchtungspegel (NOT), oberer und unterer Helligkeitsgrenzwert (MIN,MAX) und Betriebshelligkeitspegel (Esoll), entweder unmittelbar dezentral oder über eine Sende- und Empfangseinrichtung (10) mittelbar zentral zuführbar sind. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft allgemein ein elektronisches Vorschaltgerät (EVG) für Leuchtstofflampen. Insbesondere betrifft sie Schaltungsanordnungen innerhalb des elektronischen Vorschaltgerätes sowie ein Verfahren zur Steuerung der Helligkeit und des Betriebsverhaltens von Leuchtstofflampen.
  • Elektronische Vorschaltgeräte moderner Bauweise dienen der Ansteuerung von Leuchtstofflampen. Dabei werden die Leuchtstofflampen zum einen schonender betrieben und zum anderen kann der Wirkungsgrad derartiger Lampentypen heraufgesetzt werden. Ein elektronisches Vorschaltgerät weist dabei regelmäßig die im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf.
  • Über einen Netzeingangsfilter wird eine Versorgungsspannung, die eine Gleich- oder Wechselspannung sein kann, einem Gleichrichter und einem Zwischenkreiskondensator zugeführt. Soweit das Gerät ausschließlich mit Gleichspannung betrieben wird, kann letzterer Gleichrichter entfallen. Auf dem Zwischenkreiskondensator wird eine hohe Zwischenkreisspannung U₀ gebildet, die bei üblicher Netzspannungsversorgung von 220 V in der Größenordnung von ca. 300 V liegt. An den Zwischenkreis schließt sich ein Wechselspannungsgenerator an, dieser wird von einem Halbbrücken- oder Vollbrückenwechselrichter gebildet. Er gibt eine frequenzvariable Ausgangsspannung an einen Ausgangs-Lastkreis ab, der, sofern keine Halbbrückenschaltung mit künstlichem Spannungsmittelabgriff vorgesehen ist, einen Serienresonanzkreis aufweist. In Reihe zu dem Serienresonanzkreis liegt die Entladungsstrecke der zu steuernden Gasentladungslampe oder Leuchtstofflampe.
  • Die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters beträgt in etwa 10 kHz - 50 kHz.
  • Bei den genannten Frequenzen wird der Wirkungsgrad der angeschlossenen Leuchtstofflampen gegenüber einem Betrieb an dem 50 Hz-Versorgungsnetz erhöht. Eine erhöhte Lichtausbeute wird bei gleicher elektrischer Leistungsaufnahme erzielt. Weiterhin kann aufgrund der hohen Frequenz die wechselrichter-ausgangsseitige Induktivität des Serienresonanzkreises kleingehalten werden. Schließlich erlaubt die variable Frequenzsteuerung eine Helligkeitsregelung der - am normalen Netz nur schwer helligkeitsregelbaren (dimmbaren) - Leuchtstofflampe. Hinzu kommt schließlich, daß über die Frequenzsteuerung auch eine Zündung der Leuchtstofflampe vorbereitet und initiiert werden kann.
    Zu dem Vorgenannten Zündvorgang gehört zur Schonung der Leuchtstofflampen auch ein sog. Warmstart, bei dem die Heizwendeln der Leuchtstofflampe vorgeheizt werden, bevor die Lampe aufgrund von Resonanzerscheinungen mit einer hohen Zündspannung beaufschlagt wird, die zur Zündung und damit zum Betrieb der Gasentladungslampe führt. Die Variation der Frequenz, welche die Zündung kontrolliert, erlaubt auch im Betrieb der Gasentladungslampe durch Frequenzverschiebung eine nahezu stufenlose Helligkeitsregelung in weiten Grenzen. Eine solche stufenlose und kontinuierliche Steuerung der Helligkeit erfordert aufgrund des negativen Innenwiderstandes der in Betrieb befindlichen Leuchtstofflampe besondere Maßnahmen.
  • Wesentlicher Gesichtspunkt für die Entwicklung eines modernen EVG bildet daher zum einen eine möglichst vielseitige Steuerungsmöglichkeit insbes. eine Helligkeitsregelung. Dies im Hinblick auf das Betriebsverhalten sowie die Helligkeitsregelung der an einem jeweiligen EVG angeschlossenen Leuchtstofflampen.
  • Neben einer vielseitigen Steuerung und Regelung ist es ein anderes Anliegen moderner EVGs eine komfortable Handhabung und Bedienung vieler dezentral angeordneter Lichtquellen zu gewährleisten. Dies insbesondere im Hinblick auf Großprojekte, bei denen weitläufige Beleuchtungssysteme mit einer großen Anzahl von Lichtquellen zu installieren sind.
  • Schließlich ist es ein wesentlicher Zweck der Erfindung, erhöhte Sicherheit für die angeschlossenen Leuchtstofflampen sowie eine verbesserte Überwachungsmöglichkeit dieser zu schaffen. Sicherheit nicht zuletzt auch für das Betriebspersonal, was ausgefallene Lampen zu wechseln hat und hierbei darauf angewiesen ist, daß die beim Lampenwechsel an dem Steckfassungen und im Gerät entstehenden Spannungen für sie ungefährlich sind. Dies aus dem Grunde, da bei weitläufigen Beleuchtungssystemen die einzelnen Lampen nicht individuell abschaltbar sind, sodaß ein Lampenwechsel im Betrieb notwendig wird.
  • Lösungen des vorgenannten technischen Problems liegen bei einer Schaltungsanordnung gem. Oberbegriff des Anspruchs 20 oder einem Verfahren gem. Oberbegriff des Anspruchs 1 in den jeweiligen kennzeichnenden Merkmalen. Eine weitere Lösung für den vorgenannten technischen Problemkreis bietet die Ausgangs-Schaltungsanordnung für ein elektronisches Vorschaltgerät gem. den Merkmalen des Anspruchs 28.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Steuerfunktionen und die Helligkeitsregelung besonders genau und komfortabel zu handhaben. Hierzu ist eine Steuer- und Regeleinrichtung vorgesehen, die alle wesentlichen Steuer-, Regel- und Überwachungsfunktionen für ein dezentrales EVG übernimmt. Ihr ist eine Sende- und Empfangseinrichtung zugeordnet, die als Schnittstelle nach außen dient. Hier können Steuerbefehle und Helligkeitsbefehle zugeführt werden, die von der Steuer- und Regeleinrichtung, abhängig von den derzeit gültigen Prozeßgrößen (Meßgrößen) des jeweiligen dezentralen EVG, ausgeführt wird.
  • Vorteilhaft werden in einem jeweiligen dezentralen EVG ein Paar von Leuchtstofflampen an einem Wechselspannungsgenerator betrieben. Dies entspricht einem sog. zweiflammigen EVG.
  • Neben der komfortablen Helligkeitsregelung erlaubt die Steuer- und Regeleinrichtung zielgerichtet eine Erhöhung der Lebensdauer der Leuchtstofflampen und eine Gewährung von Sicherheitsinteressen. Mittels der vorgenannten Steuer- und Regeleinrichtung kann das Betriebsverhaltung und der jeweilige Betriebszustand der von einem EVG versorgten Leuchtstofflampen genauestens gesteuert und überwacht werden. So werden Warmstart-, Zünd-, Dimm- und Abschaltvorgang (ZÜND,DIMM,AUS,EIN) mit hoher Präzision und lampenschonend aneinandergereiht. Unzulässige Betriebsbedingungen werden vermieden, vor einer jeweiligen Zündung wird für eine ausreichende Vorwärmung der Heizwendeln gesorgt. Neben einem helligkeitsgeregelten Dimmbetrieb (DIMM) kann auch das gesamte EVG, wenn längere Zeit keine Helligkeit gewünscht wird, stillgelegt werden (SLEEP). In diesem Zustand nimmt das EVG nur eine minimale Leistung auf. Vermeidbare Verluste werden tatsächlich vermieden.
  • Neben dem regelmäßigen Dimmbetrieb, in welchem die Helligkeit der Leuchtstofflampen zwischen einem Minimalwert (MIN) und einem Maximalwert (MAX) beliebig variierbar ist (DIMM) ist auch ein Notbetrieb (NOT) möglich, bei dem die Lampe einen Notbeleuchtungs-Lichtpegel einnimmt. Dieser ist dezentral am jeweiligen Gerät vorgebbar. Bei bestimmten Gefahrenbedingungen wird er automatisch aktiviert.
  • Vorteilhaft ist die Sende- und Empfangseinrichtung über eine bidirektionale Busleitung mit einem zentralen Steuergerät verbunden (Anspruch 4). Ein solches erlaubt es, von einer zentralen Stelle aus eine Vielzahl von dezentral angeordneten EVGs fernzusteuern. Neben der Femsteuerung bietet das Steuergerät auch eine Betriebszustandsinformation. Es werden im Beleuchtungssystem aufgetretene Fehler aufgrund von Fehlermeldungen erkannt und angezeigt, die von den dezentralen EVGs über die bidirektionale Busleitung an das zentrale Steuergerät gesandt worden sind. Wartungsarbeiten werden hierdurch vereinfacht und beschleunigt. Vielfältige Überwachungsfunktionen werden bereits dezentral vorgesehen, so die Über- und Unterspannungsüberwachung (Anspruch 6). Durch sie wird die Lebensdauer der Leuchtstofflampen spürbar erhöht.
  • Die über die Busleitung gesteuerte Helligkeitsregelung der dezentralen EVGs geschieht über serielle digitale Steuerworte, die Steuerbefehle oder Helligkeits-Dateninformationen darstellen (Anspruch 13). Besonders vorteilhaft ist die Organisation in Funktionsgruppen, in welchen eine Mehrzahl von EVGs, die beispielsweise in einem Raum angeordnet sind, gleichzeitig und mit einem einzelnen Befehl ansteuerbar sind.
  • Die Ankopplung der Sende- und Empfangseinrichtungen an die Busleitung wird vorteilhaft durch ein Differenzierglied bewirkt. Sie gewährt eine starke Dämpfung der 50 Hz-Netzfrequenzen und arbeitet mit sehr geringen Eingangsströmen. Die Dämpfung der Netzfrequenzen geht soweit, daß auch ein Verpolungsschutz gewährt wird, das Anlegen von 220 V an der Busleitung bleibt ohne Schadensfolge (Anspruch 15).
  • Wenn die Leuchtstofflampen nach einem Zündvorgang in den gedimmten Betrieb gesteuert werden, kann es dazu kommen, daß kurzzeitige Lichtpulse auftreten. Sie haben ihre Ursache in der im Ausgangskreis gespeicherten Energie des Zündvorganges, der sich anschließend unerwünscht als Lichtpuls im gedimmten Betrieb äußert. Hier kann durch Verlängern der - eigentlich lebensdauerverkürzenden - Glimmphase zwischen Zünd- und stationärem Betrieb Abhilfe geschaffen werden (Anspruch 16). Eine tatsächliche Lebensdauerverkürzung wird aber dadurch vermieden, daß der Glimmbereich nur bei geringen Helligkeitswerten verlängert wird. Je größer die Helligkeit, desto kürzer demnach die Glimmphase und desto schneller der Übergang vom Zündbetrieb zum Normalbetrieb (Anspruch 17).
  • Werden erfindungsgemäß der Steuer- und Regeleinrichtung eine Mehrzahl m von Meßgrößen aus dem EVG zugeführt, so können hieraus eine Vielzahl von Betriebszuständen und ggf. Gefahrenzustände erkannt und vermieden werden. Weiterhin wird eine echte Leistungsregelung möglich, die lampentypunabhängig (beispielsweise Argon-Lampen oder Krypton-Lampen) arbeitet. Vorteilhaft wird die Lampenhelligkeitsregelung durch eine Frequenzmodulation (Anspruch 21) oder durch eine Kombination von Frequenzmodulation und Tastverhältnisänderung erzielt (Anspruch 12).
  • Zum Aspekt der Überwachung zählt auch die Kontrolle der Heizwendelströme der Leuchtstofflampen. Sie erlauben eine präzise Ermittlung, ob bestimmte Lampen defekt sind oder ggf. gar nicht eingebaut wurden (Anspruch 23).
  • Die bei starken Dimmbetrieb auftretenden "laufenden Schichten" werden vorteilhaft dann vermieden, wenn dem hochfrequenten Lampenwechselstrom eine geringe Gleichkomponente überlagert wird (Anspruch 24).
  • Werden pro EVG ein Paar von Leuchtstofflampen eingesetzt, die von einem gemeinsamen Wechselspannungsgenerator gespeist werden, so bewirkt das erfindungsgemäße induktive Symmetrierelement einen symmetrischen Betrieb beider Leuchtstofflampen (Anspruch 28). Eine spannungsgesteuerte Wendelbeheizung ermöglichen die lampenindividuellen Heizübertrager, welche mit ihrer Primärwicklung am Wechselspannungs-Ausgangskreis angeschlossen sind (Anspruch 31). Über eine Primärstromerfassung kann die Steuer- und Regeleinrichtung jederzeit Rückschlüsse auf die Heizwendelbeschaffenheit ziehen und so bereits beschädigte Leuchtstofflampen oder in Kürze ausfallende Leuchtstofflampen identifizieren (Anspruch 32).
  • Weitere vorteilhafte Aspekte und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen EVG und des erfindungsgemäßen Arbeitsverfahrens sind in den Unteransprüchen näher ausgeführt. Gestützt auf die Zeichnung werden nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen
    • Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen EVG,
    • Fig. 2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Systemgedankens, bei dem mehrere dezentrale EVGs mit einem zentralen Steuergerät über eine Busleitung 12 verbunden sind,
    • Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Steuer- und Regeleinrichtung als integrierte Schaltung 17,
    • Fig. 4 ein Prinzipschaltbild eines Eingangskreises 20 mit zwei Meßwerterfassungen,
    • Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der transformatorgekoppelten Wendelbeheizung einer Leuchtstofflampe mit drei Meßfühlern,
    • Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ausgangskreises 40 mit Symmetrierelement TR1 für zwei Leuchtstofflampen,
    • Fig. 7 ein Prinzipschaltbild des Wechselspannungsgenerators mit ihn ansteuernder Treiberschaltung 31,
    • Fig. 8a-c jeweils ein Blockschaltbild der Sende- und Empfangseinrichtung 10 mit verschieden ausgestalteten Koppelschaltungen zur Busleitung 12,
    • Fig. 9 ein Helligkeits-Zeitdiagramm zur Erläuterung des Abschalt- und des Notbeleuchtungsbetriebes,
    • Fig. 10 ein Helligkeits-Zeitdiagramm zur Erläuterung der Softstart- bzw. Softstop-Funktion bei einer Systemkonfiguration gem. Fig. 2.
  • Fig. 1 zeigt zunächst ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen EVGs. Die Netzspannung UN wird - ggf. über einen Schalter S1 - dem Eingangsschaltkreis 20 (Gleichrichterschaltkreis) zugeführt. Dieser erzeugt die Zwischenkreisspannung U₀,Udc, die dem Wechselspannungsgenerator 30 (Wechselrichter) zugeführt wird. Der Wechselspannungsgenerator 30 gibt seine hochfrequente Ausgangsspannung UHF an einen Ausgangs-Lastkreis 40 ab, der eine oder mehrere Leuchtstofflampen LA1,LA2 enthält. Sowohl dem Wechselspannungsgenerator 30 als auch dem Lastkreis 40 sind eine Mehrzahl von System-Meßwerten (Prozeßgrößen) entnehmbar. Gemeinsam werden die Meßwerte einer Steuer- und Regelschaltung 17 zugeführt, die ihrerseits die digitalen Ansteuersignale für den Wechselrichter 30 erzeugt. Diese werden über eine Treiberschaltung 31 potentialverschoben und den Ausgangs-MOS-FETs des Wechselrichters zugeführt. Der Steuer- und Regeleinrichtung 17 ist außerdem eine Sende- und Empfangseinrichtung 10 zugeordnet, die über eine Busleitung 12 mit anderen EVGs und/oder mit einem zentralen Steuergerät 50 verbunden ist.
  • Letzteres wird von Fig. 2 gezeigt. Dort sind eine Mehrzahl von EVGs 60-1,60-2,60-3,...,60-i an einer gemeinsamen Busleitung 12 angeschlossen. Alle EVGs sind über diese Busleitung mit dem zentralen Steuergerät 50 verbunden, dem eine Anzeigeeinheit 51 zugeordnet ist. Über die Busleitung 12 wird es nun möglich, einzelne oder mehrere der genannten EVGs anzusteuern und ihnen Befehle zu übertragen, wie Ausschalten, Einschalten, Zünden o. ä. Auch können Helligkeitswerte voreingestellt werden und im Gegenzug Fehlerinformationen von den einzelnen Geräten abgefragt werden. So ist das Steuergerät 50 jederzeit über den Gesamt-Systemzustand informiert, wodurch ein hohes Maß an Betriebssicherheit gewährt werden kann und eine beschleunigte Wartung der dezentralen EVGs, bzw. für deren Leuchtstofflampen, möglich wird.
  • Die in Fig. 1 gezeigten Funktionsblöcke 20,30,40,10,17 werden anhand der folgenden Figuren nun näher erläutert.
  • Fig. 3 zeigt hierzu die Steuer- und Regeleinrichtung 17 als integrierte Schaltung. Ihr werden die Vielzahl von Meßwerten m, welche den Prozeßsignalen der Fig. 1 entsprechen, zugeführt. Sie gibt zwei digitale Ansteuersignale für die Endstufen-Transistoren des Wechselrichters 30 ab, die über eine Treiberschaltung 31 noch verstärkt und potentialverschoben werden.
  • Neben den m Meßwerten werden der Steuer- und Regeleinrichtung 17 auch n Sollwerte zugeführt. Diese beeinflussen das vorgebbare Steuer- und Regelverhalten. Weiterhin ist als Teil der Steuer- und Regelschaltung 17 oder separat eine Sende- und Empfangseinrichtung 10 vorgesehen, die direkt oder mittels eines Koppelschaltkreises mit der Busleitung 12 verbunden ist. Sie bildet die serielle Schnittstelle, die es der Steuer- und Regeleinrichtung ermöglicht, Fehler- und Betriebszustandsinformationen dem zentralen Steuergerät 50 zu übermitteln.
  • Die zuvor genannten n Sollwerte können auch dieser Sende- und Empfangseinrichtung 10 zugeführt werden, die sie nach entsprechender Aufbereitung an die Steuer- und Regelschaltung 17 weitergibt. Sollwerte können beispielsweise sein der Notbeleuchtungspegel (NOT), der minimale Helligkeitspegel (MIN) und der maximale Helligkeitspegel (MAX), innerhalb letzterer beider kann sich der vorgebbare Helligkeitspegel (DIMM) im Betrieb bewegen.
  • Als Befehls- und Datenworte sowie als Fehlerinformationsworte werden serielle digitale Datenworte verwendet, deren Länge 8 bit ist. Andere Wertlängen sind möglich. Jedem dezentralen EVG wird eine Adresse zugeordnet, die es ermöglicht, einzelne EVGs über die Adresse der Sende- und Empfangseinrichtung 10 anzusprechen und Informationen von ihnen abzufragen oder ihnen Befehle zu erteilen. Die bidirektionelle Arbeitsweise der Busleitung 12 ermöglicht ein problemloses und aufwandsarmes Verkabeln einer Vielzahl von dezentraler EVGs mit einem zentralen Steuergerät (50).
  • Fig. 4 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Eingangskreises, wie er zur Speisung des Wechselspannungsgenerators 30 aus einem Versorgungsnetz mit der Spannung UN verwendbar ist. Der Eingangskreis besteht aus kapazitiven Eingangsfiltern sowie ggf. aus einer Oberwellendrossel. Die Kondensatoren in Y-Schaltung dienen der Funkentstörung. Ihnen ist ein Überspannungsableiter oder ein VDR parallel geschaltet. Es schließt sich ein Vollwellengleichrichter an, der dann entfallen kann, wenn das Gerät betriebsmäßig mit Gleichspannung betrieben wird. Dem Gleichrichter nachgeschaltet ist ein Zwischenkreiskondensator C4, der sich bei 220 V Netzspannung auf ca. 300 V mit einer Restwelligkeit von ca. 10 % auflädt.
  • Aufgrund eines niedrig zu haltenden Crestfaktors sollte die Zwischenkreisspannung U₀ gut geglättet sein.
  • Parallel zum Zwischenkreiskondensator C4 liegt ein Spannungsteiler R18,R28, an dem ein der Zwischenkreis-Spannung proportionales Meßsignal abgreifbar ist. An einem Tiefpaß R21,C25 wird ein der Versorgungsspannung proportionales Signal erfaßt und ebenso, wie das zwischenkreisspannungs-abhängige Meßsignal der Steuer- und Regeleinrichtung 17 zugeführt. Beide Meßsignale dienen der Versorgungsspannungs-Überwachung und damit der Betriebssicherheit des EVG.
  • Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lastkreises 40 mit einem Heizübertrager L5 für die Vorheizung der Wendeln der Leuchtstofflampe LA1. In Fig. 5 ist lediglich einer von einem Paar von Lampenkreisen gezeigt. Das Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ein Paar dieser Zweige auf, d. h. zwei Leuchtstofflampen LA1,LA2 an einem Wechselspannungsgenerator-Ausgang, der die hochfrequente Wechselspannung UHF zwischen den in Serie geschalteten Leistungs-Schalttransistoren V21 und V28 abgibt. Der Wechselspannungsgenerator wird aus der in Fig. 4 gezeigten Eingangsschaltung 20 mit einer Zwischenkreisspannung Udc versorgt. Da die Leuchtstofflampen einen negativen Innenwiderstand bei Betrieb besitzen, müssen sie beim Zündvorgang (ZÜND) mit hohen Spannungsspitzen und beim Heizen der Wendeln mit entsprechender Heizenergie versorgt werden. Ausgehend von dem Ausgangsanschluß des Wechselrichters 30 führt ein Serienresonanzkreis L2,C15 über ein Symmetrierelement TR1, welches später erläutert wird, auf die Entladungsstrecke H2,H4 der Leuchtstofflampe. Weiterhin ist zu der Leuchtstoffröhre ein Meßwiderstand R32 in Serie geschaltet, an welchem eine dem Lampenstrom IL1 proportionale Spannung abgegriffen und der Steuer- und Regelschaltung 17 zugeführt wird. Zwischen Spule L2 und Kondensator C15 ist ein Zündkondensator C17 gegen Erde (NULL) geschaltet. Mit Hilfe dieser Anordnung kann die Dimmerkennlinie der Entladungslampe vergleichmäßigt werden, da bei steigender Frequenz der Widerstand des Kondensators C15 abnimmt und der Widerstand der Entladungslampe zunimmt. Parallel zu dem Zündkondensator C17 liegt auch die Primärwicklung des Heizübertragers L5 sowie in Serie zu dieser weiterhin eine Zenerdiode V15 und ein Meßwiderstand R10. An letzterem wird eine dem Heizwendelstrom IW1 proportionale Spannung abgegriffen und dem Steuer- und Regelschaltkreis 17 als weitere Systemmeßgröße zugeführt. Da der Wechselrichter 30 eine Ausgangsspannung einprägt und der Heizübertrager im wesentlichen parallel zur Leuchtstofflampe LA1 liegt, wird über den Heizübertrager auf seine Sekundärwicklungen eine Spannung eingeprägt. Die beiden Sekundärwicklungen versorgen je potentialfrei eine der beiden Heizwendeln H1,H2 und H3,H4. An dem primärseitigen Meßwiderstand R10 wird so die Summe der Heizwendelströme IW1 gemessen.
  • Die weiterhin in Serie geschaltete Zenerdiode V15 erzeugt in der Primärwicklung von L5 eine Gleichstromkompenente, die aber nicht übertragen wird, sondern im Lampenstrom IL1 fehlt und damit die Entladung der Lampe mit einem zusätzlichen Gleichstromanteil in der Größenanordnung von ca. 1 % des tatsächlichen Entladungsstromes versorgt. Dies verhindert den Effekt der "laufenden Schichten", die bei Dimmung der Lampen auftreten. Die "laufenden Schichten" bestehen aus insbesondere beim Dimmen auftretenden Hell-/Dunkelzonen, die mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit längs der Röhre laufen. Ein Überlagern von geringem Gleichstrom beschleunigt diesen Laufeffekt derart, daß er nicht mehr störend wirkt.
  • Zum Heizen wird der Wechselrichter 30 mit einer hohen Frequenz fmax betrieben, so daß an C17 eine Wechselspannung auftritt, die nicht zum Zünden der Lampe LA1 geeignet ist. Über L5 werden in diesem Betriebszustand die Wendeln der Lampe beheizt, wobei, bedingt durch den Kaltleitereffekt der Wendeln, die Lampe zuerst einen hohen und dann einen geringeren Heizstrom aufnimmt. Nach ca. 750 msec Vorheizzeit wird die Zündung (ZÜND) der Lampe eingeleitet.
  • Beim Zünden der Leuchtstofflampe wird die Frequenz f des Wechselrichters 30 reduziert, sodaß sie näher an die Resonanzfrequenz f des Ausgangs-Serienresonanzkreises L2,C15 herankommt. Dadurch entsteht an C17 eine Spannungsüberhöhung, die in der Größenordnung von ca. 750 V (Spitze) liegt. Hierdurch wird eine funktionsfähige Lampe gezündet.
  • Sobald die Lampe LA1 oder LA2 gezündet hat, wird der Serienresonanzkreis L2,C15 oder L3,C16 stark bedämpft. Dies bewirkt einerseits eine Verschiebung der Resonanzfrequenzen f₀ und andererseits ein sofortiges Absinken der an der jeweiligen Lampe liegenden Wechselspannung. Das Absinken wird über den parallel zur Lampe geschalteten Spannungsteiler R27,R25 von dem Steuer- und Regelschaltkreis 17 erkannt. Dieser leitet daraufhin die eigentliche Betriebsphase (DIMM) der Lampen ein.
  • Zum effektiven Betrieb der Lampe wird die Frequenz f des Wechselrichters 30 so geregelt, daß die Leistung der Lampe dem vorgegebenen Sollwert, d. h. dem gewünschten Helligkeitsniveau, entspricht. Je höher die Frequenz im Betriebszustand wird, desto geringer wird die Lampenhelligkeit. Die Betriebsfrequenz des Wechselspannungsgenerators 30 kann dabei durchaus auch auf Werte verschoben werden, die in der Größenordnung der Heizfrequenz oder darüber liegen. Auch kann bei einer maximalen Leistung (MAX) eine Ausgangsfrequenz eingestellt werden, die unterhalb der Zündfrequenz, aber noch oberhalb der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises L2,C15 liegt.
    Der Betriebszustand des Lampenkreises 14 kann abhängig von der eingesetzten Lampe, beispielsweise Argon-, Krypton-Lampe, oder abhängig von der gewählten Lampenleistung, stark variieren.
  • Die Kombination aus dem Kondensator C24 und den Dioden V30, V31 bewirkt eine frequenzabhängige Bedämpfung des Ausgangskreises bei Spannungsüberhöhung. Sie ist vor allem dann wichtig, wenn hohe Frequenzen und hohe Impedanzen vorkommen, also z.B. bei fehlender Lampe oder beim Vorheizen bei bereits warmer Wendel. Die Beschaltung dieser Art hilft, die Spannungsüberhöhung bei nicht gezündeter oder fehlender Lampe dann zu begrenzen, wenn sie unerwünscht ist. C24 ist so gewählt, daß die Bedämpfung zum Zündzeitpunkt klein genug bleibt.
  • Fig. 6 zeigt den Ausgangskreis der Fig. 5 für den zweiflammigen - zwei Leuchtstofflampen an einem Wechselrichter - Betrieb. Hier ist auch der Symmetieübertrager TR1 vollständig eingezeichnet. Jede Wicklung wird von einem der beide Lampenströme durchflossen. Dies geschieht gegensinnig, so daß bei Stromamplituden-Abweichung eine resultierende Magnetisierung entsteht, die in dem induktiven Element eine Spannung induziert, welche symmetrierend wirkt. Ein solcher Übertrager ist vorteilhaft, wenn durch Bauteiltoleranzen und Lampentoleranzen sowie unterschiedlichen Temperaturbedingungen die beiden Lampen im gedimmten Zustand unterschiedlich hell brennen würden. Durch das Symmetrieelement TR1 wird dies bei zweilampigen Leuchten vermieden. Werden mehrere Parre von Lampen an einem Wechselspannungsgenerator-Ausgang betrieben, so ist für jeweils ein Paar ein solches Symmetrierelement TR1 vorzusehen.
  • Aus Fig. 6 ist weiterhin ersichtlich, daß jeder Leuchtstofflampe ein individueller Serienresonanzkreis vorgeschaltet ist sowie ein individueller Zündkondensator C17,C18 parallelgeschaltet ist. Dies ermöglicht eine relativ unabhängige Zündphase sowie einem Gleichlauf im Dimmbetrieb. Parallel zu den Zündkondensatoren C17,C18 liegt jeweis ein Spannungsteiler R25-R28, die ein der Ausgangs-Wechselspannung proportionales Signal an die Steuer- und Regeleinrichtung 17 führen. In gleicher Weise ist es auch möglich, die Spannungsteiler direkt parallel zur Leuchtstofflampe zu schalten, d. h. hinter das Symmetierelemente TR1. In Serie zu den Lampen, dies war anhand von Fig. 5 bereits für einen Lampenkreis erläutert, findet sich je ein Strommeß-Shunt R31,R32. An ihnen wird ein dem Lampenstrom proportionales Signal gewonnen, welches im Steuer- und Regelschaltkreis 17 mit dem vorgenannten Lampenspannungssignal multiplizierbar ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß jederzeit ein der tatsächlichen Lampenleistung Pist bzw. der Helligkeit E proportionales Signal zur Verfügung steht, das einer genauen Helligkeitsregelung als Istwert vorgebbar ist.
  • Fig. 7 zeigt detaillierter den Wechselrichter 30 mit seinen Ausgangs-Leistungstransistoren V28,V21. Zwischen ihnen wird die hochfrequente Wechselspannung UHF an den zuvor erläuterten Lastkreis 40 abgeben. Angesteuert werden die beiden Leistungstransistoren über einen Ansteuer-Schaltkreis 31, der seine Steuersignale von dem Steuer- und Regelschaltkreis 17 erhält. Ggf. kommen unsymmetrische Abschalt-/Einschaltverzögerungen für die jeweiligen Transistoren in Betracht, so daß ein gemeinsames Leiten beider Transistoren V21,V28 grundsätzlich vermieden werden kann. Der obere Transistor wird über eine (nicht eingezeichnete) Bootstrap-Schaltung versorgt, der untere Transistor und die Systemsteuerung 10,17,31 erhalten ihre Ansteuerspannung über einen Vorwiderstand und einen Glättungskondensator C5 aus der Zwischenkreisspannung U₀. Neben der genannten Stromversorgung aus dem Zwischenkreis findet auch eine verlustarme Wechselspannungskopplung aus dem schwingenden Wechselrichter 30 über einen Koppelkondensator C21, die Dioden V12,V7 und die Induktivität L7 in die Speicherkapazität C5 statt.
  • Der durch den Vorwiderstand oder eine Stromquelle Iq dem Glättungskondensator C5 zuführbare Strom ist ausreichend, um das IC31 und die Steuer- und Regelschaltung 17 im abgeschalteten Betrieb (SLEEP) zu versorgen.
  • Bei Betrieb des Wechselrichters reicht die über einen Kondensator C21 ausgekoppelte, über die genannten Bauteile V12,V7,L7 gleichgerichtete und über C5 geglätte lasteingekoppelte Versorgung aus. Diese Versorgungsspannungsgewinnung ist nahezu verlustfrei, da lediglich reaktive Elemente zur Strombegrenzung eingesetzt werden. Mittels der in den unteren Wechselrichter-Halbzweig des Transistors V21 eingeschalteten antiparallelen Dioden V14,V15 und dem diesen parallel geschalteten Widerstand R34 wird eine dem Zweigstrom Imax proportionales Spannungssignal UKap gewonnen. Dieses wird, wie die anderen Prozeßsignale dem Steuer- und Regelschaltkreis 17 zugeführt. Er kann hieraus die Stromrichtung des durch den Wechselrichter im Moment vor dem Öffnen von V21 fließenden Stromes feststellen. Ist dieser Strom negativ, so befindet sich der Lastkreis 40 des Wechselrichters 30 in einem unzulässigen kapazitiven Bereich. Er stellt hierbei eine Gefahr für den steuernden Wechselrichter dar. Neben der reinen Amplituden-Detektion kann auch eine Phasenlagen-Betrachtung herangezogen werden, bei der der Laststrom IL1 in Bezug zum Wechselrichter-Zweigstrom Imax gesetzt wird und hieraus die relative Phase beider Ströme zur Detektion des Betriebszustandes herangezogen wird.
  • Eine Erkennung eines unzulässigen kapazitiven Betriebsverhaltens wird von der Steuerschaltung 17 mit einer Erhöhung der Betriebsfrequenz f des Wechselrichters 30 beantwortet, womit der Lastkreis 40 wieder induktiv betrieben wird. Die vorgenannte kapazitive Betriebsweise tritt vorwiegend bei geringer Versorgungsspannung auf. Mit der Zweigstromerfassung kann ein Zerstören von Bauelementen sicher vermieden werden.
  • Fig. 8 zeigt die Sende- und Empfangseinrichtung 10 sowie das ihr vorgeschaltete Koppelfilter, mit dem die Busankopplung zu der Steuerleitung 12 erfolgt. Der Digitalschnittstelle 10 sind in diesem Beispiel die Sollwerte für minimale-, maximale- und Notbeleuchtungshelligkeit (UNOT,UMIN,UMAX) vorgegeben. Weiterhin ist ein Digitaleingang DAT vorgesehen, über den sowohl die Steuersignale von einem zentralen Steuergerät zum dezentralen EVG gelangen, als auch die Fehlersignale von dem dezentralen EVG zu dem zentralen Steuergerät übermittelt werden. Das serielle Interface ermöglicht die Femsteuerung des elektronischen Vorschaltgerätes durch ein digitales Befehlssignal oder Befehlswort. Als solches digitales Signal ist ein 8 bit-Datenwort vorgesehen. Es wird von den beiden Kondensatoren C22,C23 differenziert, sodann um die Hälfte der Versorgungsspannung des Regelschaltkreises 17 bzw. des Sende- und Empfangsschaltkreises 10 potentialverschoben und dann über einen Dämpfungskondensator C12 dem Digitaleingang DAT der Schnittstelle 10 zugeführt. Hierdurch können sowohl die 50 Hz-Netzfrequenz unterdrückt, als auch die Eingangsströme jeder Schnittstelle geringgehalten werden. Fig. 8b zeigt eine weitere Ausgestaltung der Busankopplung. Hierbei sind die beiden Busleitungen 12 mit dem Dateneingang der Digitalschnittstelle induktiv gekoppelt. Werden EVGs mit dem in Fig. 8a dargestellten Koppelfilter an verschiedenen Phasen des Drehstromnetzes betrieben, können Ausgleichsströme fließen, die die Datenübertragung störend beeinflußen. Diese Ausgleichsströme können zwar in der Schaltung gemäß Fig. 8b ebenfalls fließen, sie heben sich allerdings auf, da keine primärseitige Masseverbindung existiert. Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Schaltung zeigt Fig. 8c. Durch die Verwendung einer Sekundärwicklung mit Mittelanzapfung wird die Schaltung verpolungssicher. Anwendbar ist auch eine optische Kopplung, jedoch weist diese einen erhöhten Stromverbrauch auf.
  • Als Stellsignale werden 255 (entsprechend 8 bit) Helligkeitswerte vorgesehen. Auch das Steuersigal "AUS", dargestellt durch das binäre Wort "Null" ist möglich. Durch das vorgenannte Signal AUS versetzt sich das Gesamt-EVG sofort oder nach einer geringen Zeitspanne in einen stromsparenden Abschaltmodus (SLEEP). In ihm wird der Meßstromverbrauch des gesamten Vorschaltgerätes minimal. Der Wechselrichter 30 und die Ansteuerschaltung 31 werden stillgelegt und ggf. nach geringer weiterer Zeitverzögerung auch die wesentlichen Baugruppen des Steuer- und Regelschaltkreises 17. Lediglich die Empfangsschaltung der Sende- und Empfangseinrichtung 10 und die Überwachungsschaltung für die Erkennung eines Notbetriebes (NOT) bleiben aktiviert. Die Gesamtkreisleistung sinkt damit unter 1 W. Trifft jedoch in einem solchen Zustand ein neues Stellsignal ein, so nimmt die Steuer- und Regelschaltung 17 sofort die Einschaltsequenz vor, die mit Vorheizen und Zündvorgang (ZÜND) in den stationären Betrieb überleitet und dort wird für eine sofortige Einstellung des gewünschten Helligkeitswertes (DIMM) gesorgt.
  • Neben der Steuerung der Helligkeit und des Notbeleuchtungsmodus sowie des Abschalt-Modus (SLEEP-Mode) obliegt dem Steuer- und Regelschaltkreis 17 auch die Aufgabe, sämtlichen vorgenannten Prozeßgrößen die Informationen zu entnehmen, die zur Überwachung und Steuerung des EVG von Wichtigkeit sind.
  • Dies sind die Spannungsüberwachung, die Notbetriebs-Aufrechterhaltung und die Überwachung der Leuchtstofflampen hinsichtlich Wendelbruch oder Gasdefekt. Auch werden durch die Meßgrößen die verschiedenen Betriebszustände der Leuchtstoffröhre, wie Zünden, Vorheizen und stationärer Betrieb unterscheidbar. Nachfolgend sollen die gemessenen und zur Überprüfung herangezogenen Prozeßgrößen zusammengefaßt werden:
    Versorgungsspannung Uac, UN,
    Unter/Überspannung UNmin, UNmax,
    Batteriespannung UB,
    Zwischenkreisspannung U₀,Udc,
    Lampenstrom/Betriebsstrom IL1,IL2,
    Lampenspannung UL1,UL2,
    Ausgangsspannung UHF,
    Ausgangsstrom IHF,
    Wendelstrom IW1, IW2,
    Wechselspannungsgenerator-Zweigstrom IKap.
  • Anhand der aufgeführten Größen werden Überspannung und Unterspannung im Zwischenkreis und im Versorgungskreis erfaßt. Die Steuer- und Regelschaltung 17 schaltet dabei alle Funktionen ab, wenn die Spannung zu hoch wird, und kann erst wieder in Funktion gehen, wenn die Spannung einmal ab- und wieder zugeschaltet wurde.
  • Das Auftreten von Unterspannung - welches zu einem gefährdenden kapazitiven Betrieb des Wechselrichters führt - wird damit beantwortet, daß die Ansteuerschaltung 31 gesperrt wird. Solange die Netzversorgung nicht die notwendige Spannung hat, um den Heizvorgang der Wendeln zu garantierten und den kapazitiven Betrieb zu vermeiden, nimmt die Steuer- und Regeleinrichtung 17 keine Zündung vor. Erst nach Überschreiten eines vorgebbaren Schwellenwertes wird der Zündvorgang ausgelöst. Dieses geschieht automatisch.
  • Eine Notbetriebsumschaltung auf eine vorgebbare Notbeleuchtungs-Helligkeit erfolgt beispielsweise dann, wenn über den üblichen Wechselspannungs-Versorgungseingang des Einschaltkreises 20 und über den Meßfühler R21,C25 (Fig. 4) eine Gleichspannung UN von dem Regelschaltkreis 17 erkannt wird. Hierzu dient eine Zähllogik, die bei Ausbleiben der Über- oder Unterschreitung eines vorgegebenen Schwellenwertes den Notbetrieb einleitet. Dies kann nach einer vorgebenen Totzeit geschehen, die einzelne, möglicherweise fehlende, Halbwellen, überbrückt.
  • Fällt in einem Leuchtensystem die normal speisende Wechselspannung Uac, UN aus, so wird eine Notspannungsversorgung UB, die aus Batterien oder einem Generator gewonnen wird, auf die Netzspannungsleitung gelegt. Dies erkennen die EVGs automatisch.
  • Im Notbetrieb wird die Helligkeit der Leuchtstofflampen nicht mehr durch den digital vorgegebenen Helligkeitswert DIMM vorgegeben, sondern durch einen dezentral am Gerät vorgebbaren Trimmwert, der über den Eingang UNOT vorgebbar ist. Sollte sich das EVG beim Eintreten dieses Notbetriebes im Abschalt-Modus (SLEEP) befinden, d. h. Lampe und Wechselrichter abgeschaltet, so führt es zuerst den normalen Zündvorgang (ZÜND) durch, um nachher auf die Notbetriebshelligkeit zu stellen.
  • Bei erkanntem Ende des Notbetriebszustandes geht das EVG in den vorherigen Zustand zurück, dies kann der AUS-Zustand sein, wenn sich das EVG vorher dort befand. Dies kann jedoch auch der ursprüngliche Helligkeitswert (DIMM) sein, sofern dieser vor Anforderung des Notbetriebes vorlag.
  • Über die Erfassung des Wendelstromes erfolgt eine Erkennung, ob entweder eine Lampe nicht eingesetzt ist oder eine der beiden Wendeln gebrochen ist. In einem dieser Fehler-Fälle wird der Wechselrichter 30 an seiner maximalen Frequenz fmax betrieben, was einerseits einen nach wie vor fließenden Heizstrom zur Folge hat, wenn die defekte Lampe ausgetauscht worden ist und andererseits die Spannung an der defekten Lampe auf das kleinstmögliche Maß heruntersetzt. Dies ist zur Einhaltung der Sicherheitsbestimmung nach VDE wichtig. Der induktive Teil des Serienresonanzkreises im Ausgang wird bei der genannten hohen Frequenz fmax gegenüber dem kapazitiven Widerstand des Zündkondensators C17 so hoch, daß die Spannung am Ausgang auf ungefährliche Werte beschränkt wird und keine Gefahr für das Wartungspersonal besteht.
  • Bei Einsetzen einer funktionsfähigen Lampe wird ohne weitere Maßnahmen nach Abwarten der Vorheizdauer der Zündvorgang (ZÜND) eingeleitet.
  • Die interne Ablaufsteuerung im Steuer- und Regelschaltkreis 17 begrenzt weiterhin auch die Anzahl der Startversuche auf zwei und setzt (sendet) immer dann, wenn ein Fehlerfall vorliegt, wenn z. B. die Lampe fehlt, wenn ein Wendelbruch oder ein Gasdefekt vorliegt, ein Fehlersignal über die Sende- und Empfangseinrichtung 10 auf dem bidirektionalen Bus 12 ab. Dies gilt auch im Notbetrieb, da beim Defekt der Lampe der Notbetrieb nicht eingehalten werden kann.
  • Verdrahtungsfehler, die zu einem Kurzschluß der Entladungsstrecke der Lampe führen, können aufgrund der Prozeßsignale dann erfaßt werden, wenn die Lampenspannungen auf einen vorgegebenen minimalen Wert hin überwacht werden. Dabei führt eine Unterschreitung dieses vorgegebenen Wertes, wie bei der Netzüberspannungs-Überwachung zu einem Abschalten des gesamten EVG.
  • Auch die Zündunwilligkeit der Lampe, z. B. durch Gasdefekt, wird von dem Steuer- und Regelschaltkreis 17 erkannt. Wenn die Lampe innerhalb einer vorgegebenen Zündvorgabezeit nicht gezündet werden kann, d. h. wenn ein Abfallen der Spannung an dem Zündkondensator C17 innerhalb dieser Zeitspanne nicht eintritt, greift die genannte Sperre ein.
  • Neben einem vollständigen Abschalten und einer Fehlermeldung kann auch eine Wiederholzeit abgewartet werden, nach der ein erneuter Zünd- und Starversuch unternommen wird. Wird auch hierbei kein Zünderfolg bewirkt, so reagiert die Steuer- und Regelschaltung 17 wie bei Heizwendelbruch und setzt die Frequenz des Wechselrichters 30 auf maximalen Wert fmax.
  • Bei Austauschen der Lampe, was der Steuer- und Regelschaltkreis 17 an einem Ansteigen der Lampenspannung oder an einem Verändern des Heizwendelstromes erkennt, erfolgt nach Wiedereinsetzen einer neuen Lampe neuerlich ein Zündversuch. Zur Helligkeitsregelung der Leuchtstofflampen sei folgendes erläutert. Es findet eine echte Helligkeitsregelung Anwendung, da diese lampentypunabhängig gleiche Lampenleistungen - bei im wesentlichen gleichem Lampenwirkungsgrad - gewährleistet. Die istwertbestimmenden Meßgrößen Lampenstrom, Lampenspannung werden multipliziert und analog oder digital mit den über die Sende- und Empfangseinrichtung 10 ferngesteuert vorgegebenen Sollwerten verglichen. Das Vergleichsergebnis steuert unmittelbar oder über einen Regler die Frequenz f des Wechselspannungsgenerators 30. Wild eine genauere Helligkeitsabstufung gewünscht, so kann eine logarithmische Sollwertanpassung erfolgen. Auf gleiche Weise kann eine exponentielle Istwertgewichtung durchgeführt werden. Neben der Lampentypunabhängigkeit wird auch eine Kompensation von Lampenalter, von der bestehenden Betriebstemperatur und auch von der möglicherweise schwankenden Netzspannung UN erreicht.
  • Mit der prozeßsignalgesteuerten Betriebszustandsüberwachung wird es auch möglich, das Zünden der Lampen auf kleine Helligkeitswerte durchzuführen, wobei der normalerweise auftretende Lichtimpuls vermieden werden kann. Letzterer ist bedingt durch die sich im Ausgangskreis durch den Zündvorgang speichernde Energie, die dann nach Zünden schlagartig in die Lampe entladen wird. Zur Unterdrückung bzw. Beseitigung wird eine schnelle Zünderkennung - über die Änderung der Lampenbrennspannung UL1,UL2 -vorgesehen, sowie eine schnelle Reduktion des Lampenstroms nach dem Zünden ausgeführt. Letzteres durch augenblickliche Verschiebung der Wechselrichter-Ausgangsfrequenz in Richtung zu höheren Frequenzen hin. Hierdurch wird der Glimmbereich zwischen dem Zünden und der stationären Gasentladung künstlich verlängert. Hierdurch würde unter normalen Umständen eine Reduktion der Lampenlebensdauer auftreten. Dies wird gem. dem Ausführungsbeispiel jedoch vermieden, da die Verlängerung der Glimmphase nur für die kritischen niedrigen Helligkeitswerte eingesetzt wird. Fur große Helligkeitswerte wird der Strom auf einem höheren Pegel gehalten, wodurch die Glimmphase verkürzt wird. Dies kann über digitale Steuerworte und die Sende- und Empfangseinrichtung 10 per Software eingestellt werden.
  • In Fig. 9 ist ein Helligkeits-Zeitdiagramm dargestellt, in welchem die Helligkeit der von dem EVG gemäß Fig. 1 gesteuerten Lampe zeitabhängig variiert wird. Zunächst ist maximale Helligkeit vorgesehen, es folgt ein über die Busleitung 12 und die Digitalschnittstelle 10 vorgegebener Abschalt-Zyklus. Die Helligkeit wird gem. einer vorgegebenen Steigung bis auf Null reduziert, sodann schalten sich der Wechselrichter 30, seine Treiberschaltung 31 und wesentliche Teile des Steuer-ICs 17 zur Stromersparnis ab. Ein daraufhin folgender Notbeleuchtungs-Zustand führt - trotz abgeschaltetem System - zu einem gesteuerten Zünden sowie einem Aufbau der Helligkeit der Lampe auf die voreingestellte Notbeleuchtungshelligkeit (NOT). Diese ist über die Sollwert-Vorgabe UNOT für jedes dezentrale EVG veränderbar. Ebenso ist der in Fig. 9 eingezeichnete maximale und minimale Helligkeitswert (MIN,MAX) über eine entsprechende Sollwertvorgabe einstellbar oder abgleichbar.
  • In Fig.10 ist ein programmtechnisch gesteuerter "Softstart" als Helligkeits-Zeitdiagramm schematisch dargestellt. Das EVG 60 befindet sich zunächst in abgeschaltetem Zustand (AUS). Der Befehl "Softstart" führt nun entweder auf ein automatisches steigungsgeregeltes Ansteigen der Lampenhelligkeit - nach deren Zündung - oder zu einem programmgesteuerten inkrementalen Anwachsen der Lampenhelligkeitsstufen. Im letzteren Fall werden von dem zentralen Steuergerät 50 aus in bestimmten Zeitabschnitten inkremental wachsende Helligkeitswerte gesendet. Die dezentralen EVGs folgen den Anforderungen nahezu verzögerungslos. Hierdurch wird ein änderungsgeschwindigkeits-gesteuertes (geregeltes) Ansteigen und Abfallen der dezentralen Lichtquellen möglich.

Claims (38)

  1. Verfahren zur Steuerung der Helligkeit und des Betriebsverhaltens von Gasentladungslampen (GE-Lampen) über ein elektronisches Vorschaltgerät (EVG) mit einem in seiner Ausgangsfrequenz (f) variierbaren Wechselspannungsgenerator (WR,30),
    mit einer Gleichrichterschaltung (GR,20), die den Wechselspannungsgenerator (30) speist, und
    mit einem Lastkreis (40), der mindestens einen Reihenschwingkreis (L3,C14) und mindestens eine Gasentladungslampe (LA1,LA2,GE-Lampe) aufweist, und der von dem Wechselspannungsgenerator (30) mit einer variierbaren Wechselspannung (UHF) gespeist wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine Steuer- und Regeleinrichtung (17) und eine Sende- und Empfangseinrichtung (10) vorgesehen sind, der über einen digitalen Steuereingang (DAT), Befehle zur Steuerung und Regelung der Helligkeit (E,Pist) und des Betriebszustandes (MIN,MAX,NOT,SLEEP,DIMM,ZÜND,AUS,EIN), der mindestens einen Gasentladungslampe (LA1,LA2) zuführbar sind, bzw. zugeführt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß in dem Abschalt-Betriebszustand (AUS), in welchem die Gasentladungs-Lampe abgeschaltet wird, der Wechselspannungsgenerator (WR,30) über eine Treiberschaltung (31) und die Steuer- und Regeleinrichtung (17) sofort oder nach einer vorgegebenen Zeitspanne stillgelegt wird (SLEEP).
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Steuer- und Regeleinrichtung (17) mit dem Wechselspannungsgenerator (WR,30) zeitgleich oder geringfügig verzögert stillgelegt wird (SLEEP) und daß bei Empfang eines neuen digitalen Helligkeitsbefehls (DIMM) die Steuer- und Regeleinrichtung (17) und der Wechselspannungsgenerator (30) wiederaktiviert werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß mehrere EVGs (60-1,60-2, ...,60-i) je mit einer Steuer- und Regeleinrichtung (17) sowie einer Sende- und Empfangseinrichtung (10) versehen und über je ein Busleitungspaar (12) oder über ein einzelnes Busleitungspaar (12) gemeinsam mit einem zentralen Steuergerät (50,51) verbindbar sind, welches Befehle an die Empfangsteile der Sende- und Emfangseinrichtungen (10) der mehreren EVGs (60-i) abgibt und Betriebszustandsinformation oder Fehlermeldungen von ihren Sendeteilen empfängt, auswertet (50) und anzeigt (51) [Luxmate].
  5. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine Veränderung einer die Gleichrichterschaltung (20) speisenden Versorgungsspannung (UN,Uac) erfaßt wird und die Steuer- und Regelschaltung (17) daraufhin den Betriebszustand und/oder die Helligkeit (E) der GE-Lampe (LA1,LA2) entsprechend verändert, insbesondere bei Erkennen von Gleichspannung (UB) einen vorgebbaren Notbeleuchtungspegel (NOT) einstellt [Nothelligkeit].
  6. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine Veränderung einer den Wechselspannungsgenerator (30) speisenden Zwischenkreis-Gleichspannung (U₀,Udc) vor und/oder während des stationären Betriebes erfaßt und daraufhin der Betriebszustand der GE-Lampe (LA1,LA2) entsprechend beeinflußt wird, insbesondere bei Überschreiten eines vorgegebenen Überspannungswertes (UNmax) abgeschaltet und bei Unterschreiten eines Unterspannungswertes (UNmin) nicht gezündet wird [Spannungsüberwachung].
  7. Verfahren nach Anspruch 1, 5 oder Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Erkennung einer des EVG (60) speisenden Gleichspannung (UB) statt einer regelmäßigen Versorgungs-Wechselspannung (UN,Uac) über eine Zähllogik erkennbar ist, die den zeitlichen Abstand des Auftretens eines vorgebbaren Schwellenwertes in der Versorgungsspannung (UN,UB) überwacht bzw. erkennt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der mittels eines Einstellorgans (R7,C28,R6) voreingestellte Notbeleuchtungspegel (NOT) Vorrang vor einem mittels Befehlswort eingestellten Helligkeitspegel (DIMM) und dem ggf. vorliegenden Abschaltzustand (AUS,SLEEP) hat.
  9. Verfahren nach Anspruch 8,
    bei dem nach Aktivieren des Notbeleuchtungspegels (NOT) ein Zurückfallen in den Abschalt-Betriebszustand (SLEEP,AUS) dann erfolgt, wenn letzterer vor Aktivieren des Notbeleuchtungspegels (NOT) vorgelegen hat.
  10. Verfahren nach Anspruch 1,
    bei dem mehrere voreinstellbare Sollwerte (NOT,TR1,TR2) als Helligkeitspegel der GE-Lampe(n) der oder jeder Steuer- und Regeleinrichtung (17) oder der oder jeder Sende- und Empfangseinrichtung (10) mittels Potentiometern, Trimmwiderständen oder Spannungsteilern (R2,R6,R7,R32,R33) vorgebbar sind, die über Befehlsworte an die Sende- und Empfangseinrichtung (10) individuell abrufbar bzw. von der Steuer- und Regeleinrichtung (17) über den Wechselspannungsgenerator (30) an der/den GE-Lampe(n) (40) einstellbar sind.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die gedimmten Helligkeitswerte (DIMM) über ein logarithmisch oder exponentiell wirkendes Funktionsglied im Sollwertkanal oder im Istwertkanal des Helligkeitsregelkreises (Psoll,Eist) verändert werden.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Steuerung und Regelung der Helligkeit (E) und der Betriebszustände (DIMM,NOT,SLEEP,ZÜND) der GE-Lampe(n) (LA1,LA2) über Frequenzveränderung (f) der von dem Wechselspannungsgenerator (40) abgegebenen Wechselspannung (UHF) bewirkt werden oder
    daß eine Frequenz-Veränderung (f) und eine Tastverhältnisänderung der Wechselspannung (UHF) zur Helligkeitsveränderung (Eist) der GE-Lampe(n) durchgeführt wird, wobei insbesondere im unteren Dimmbereich (DIMM, MIN) das Tastverhältnis geringer gewählt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Befehlsworte als digitale Steuerworte, insbesondere mit 8bit-Wortlänge, seriell über eine Steuerleitung (12) geführt werden und der oder jeder Sende- und Empfangseinrichtung (10), der oder jeder Steuer- und Regeleinrichtung (17) des oder jedes angeschlossenen EVGs (60-i) zugeführt werden [LAN].
  14. Verfahren nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß jedes angeschlossene EVG (60-i) über die Befehlsworte individuell oder in Funktionsgruppen ansprechbar und steuerbar, insbesondere dimmbar, ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die seriellen Befehlsworte über einen Bandpass oder ein Differenzierglied (C22,C23,R3,R4,R5,C12) der Sende- und Empfangseinrichtung (10) zugeführt werden [Koppelfilter].
  16. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die seriellen Befehlsworte über einen Überträger der Sende- und Empfangseinrichtung (10) induktiv zugeführt werden.
  17. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zur Vermeidung von parasitärem Licht(im)pulsen die Zeitdauer der Glimmphase zwischen Zündvorgang (ZÜND) und stationärem Nenn- oder Dimmbetrieb (DIMM) befehlswortgesteuert (DAT,10) abhängig von der stationären Helligkeit (DIMM) verändert wird [Lichtpulskompensation].
  18. Verfahren nach Anspruch 17,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Zeitdauer der Glimmphase für geringe stationäre Helligkeiten (DIMM,MIN) verlängert wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Helligkeit vom Abschalt-Zustand (AUS) der Gasentladungslampen-Lampe durch einen Sammelbefehl oder mittels incrementaler Dimmbefehle änderungsgeschwindigkeitsgesteuert zu der erwünschten stationäre Helligkeit (DIMM) geführt wird oder andersherum [Softstart, -stop].
  20. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß nach einer vorgebbaren Anzahl von, insbesondere zwei, erfolglosen Zündversuchen (ZÜND) der GE-Lampe(n) (LA1,LA2), eine interne Ablaufsteuerung weitere Zündversuche (ZÜND) unterbindet,
    daß anhand von der Steuer- und Regeleinrichtung (17) zugeführten m Meßwertsignalen (UL1,UL2,IW1,IW2,Udc,Uac) die Fehlerursache bestimmt wird und
    daß eine entsprechende Fehlermeldung über die Sende- und Empfangseinrichtung (10) auf dem Busleitungspaar (12) abgesetzt wird [Fehlererkennung].
  21. Verfahren nach Anspruch 20,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die interne Ablaufsteuerung nach Unterbinden der Zündversuche weitere Zündversuche initiiert, sofern die Lampe ausgewechselt wurde.
  22. Schaltungsanordnung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    mit einem in seiner Ausgangsfrequenz (f) variierbaren Wechselspennungsgenerator (30,WR),
    mit einer Gleichrichterschaltung (GR,20), die den Wechselspannungsgenerator (30) speist, und
    mit einem Lastkreis (40), der mindestens einen Reihenschwingkreis (L3,C14) und mindestens eine Gasentladungslampe (LA1,LA2,GE-Lampe) aufweist, und der von dem Wechselspannungsgenerator (30) mit einer varriierbaren Wechselspannung (UHF) gespeist wird,
    gekennzeichnet durch,
    eine Steuer- und Regeleinrichtung (17), der eine Mehrzahl (m) von Meßgrößen, wie Lampenstrom (IL1,IL2), Lampenwechselspannung (UL1,UL2), Heizwendelstrom (IW1,IW2), Wechselspannungsgenerator-Zweigstrom (iKap), Wechselrichter-Ausgangsspannung (UHF), Zwischenkreis-Gleichspannung (Udc,U₀), unmittelbar dezentral und eine Mehrzahl (n) von System-Sollwerten, wie Notbeleuchtungspegel (NOT), oberer und unterer Helligkeitsgrenzwert (MIN,MAX,TR1,TR2), Betriebs-Helligkeitspegel (Esoll,Psoll), entweder unmittelbar dezentral oder über eine Sende- und Empfangseinrichtung (10) mittelbar zentral zuführbar sind.
  23. Schaltungsanordnung nach Anspruch 22,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß aus den Meßwerten Lampenstrom (IL1,IL2) und Lampenspannung (UL1,UL2) die tatsächliche Lampenleistung (Pist) bzw. deren Helligkeit (Eist) ermittelt wird und mit einem zentral vorgebbaren Helligkeitswert (Psoll,Esoll) vergleichbar ist und daß auf der Basis des Differenzsignales eine Frequenzänderung (f) des dezentralen Wechselspannungsgenerators (30) im EVG (60-i) vorgenommen wird.
  24. Schaltungsanordnung nach Anspruch 22 oder 23,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Steuer- und Regeleinrichtung (17) aus den Meßwerten Lampenstrom (IL1,IL2) und Wechselspannungsgenerator-Ausgangsspannung (UHF) durch Vergleich der Nulldurchgänge beider bzw. der relativen Phase zwischen beiden Meßgrößen (UHF;IL1,IL2) ein kapazitiver Betrieb des Lastkreises (40) erfaßbar ist und daß bei Erfassen einer solchen Betriebsweise die Frequenz (f) des Wechselspannungsgenerators (30) aufwärts verschoben wird [Wechselrichterschutz].
  25. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 22-24,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Meßwert Heizwendelstrom (IW1,IW2) daraufhin überwacht wird, daß er einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet und
    daß bei Absinken unter den vorgenannten Schwellenwert der Wechselspannungsgenerator (30) von der Steuer- und Regeleinrichtung (17) zu seiner maximalen Frequenz (fmax) hin verschoben wird und
    daß über die Sende- und Empfangseinrichtung (10) ein digitales Fehlersignal abgegeben wird [Lampenüberwachung].
  26. Schaltungsanordnung nach Anspruch 25,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Meßwert Heizwendelstrom (Iw1, Iw2) auch während der Wechselspannungsgenerator (30) mit max. Frequenz arbeitet überwacht wird, um einen Neustart beim Erkennen einer neueingesetzten Lampe zu initiieren.
  27. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 22-26,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß dem Lampenstrom (IL1,IL2) eine unwesentliche Gleichstromkompenente überlagerbar ist, welche vorzugsweise im Bereich geringer Helligkeitswerte (DIMM,MIN) der GE-Lampe (LA1,LA2) anwesend ist.
  28. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 22 oder 23,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Veränderung der Frequenz (f) des Wechselspannungsgenerators (30) mittels eines in der Steuer- und Regeleinrichtung (17) vorgesehenen spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) bewirkt wird.
  29. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 22 oder 23,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß im Falle des Notbetriebes der zentral vorgegebene Helligkeitswert (Psoll,Esoll) durch den dezentral an der jeweiligen Steuer- und Regeleinrichtung (17) jedes EVGs (60-i) vorgebbaren voreingestellen Notbeleuchtungspegel (NOT) ersetzt wird.
  30. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 22-29,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Meßwertauswertung und Fehlerermittlung von der Steuer- und Regeleinrichtung (17) dezentral lampenindividuell durchführbar ist und daß die jeweiligen Betriebszustandsinformationen oder lampenindividuellen Fehlermeldungen von den Sendeteilen der Sende- und Empfangseinrichtung (10) auf ein bidirektional arbeitendes Busleitungspaar (12) in digital kodierter oder analoger Form übertragbar sind [Fehlerinformation].
  31. Ausgangs-Schaltungsanordnung für ein elektronisches Vorschaltgerät (EVG) mit einer Steuer- und Regeleinrichtung (17), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-19,
    mit mindestens einem Paar von Serienresonanzkreisen (L2,C15;L3,C16), die den Ausgang eines Wechselspannungsgenerators (30,WR) mit je einem Paar von Gasentladungslampen (LA1,LA2,GE-Lampe) verbinden,
    mit mindestens einem Paar von Zündkondensatoren (C17,C18) von denen je einer eines Paares parallel zu je einer eines Paares von GE-Lampen (LA1,LA2), geschaltet ist und mit mindestens einem induktiven Symmetrierelement (TR1), das von den Lampenströmen (IL1,IL2) je eines Paares von GE-Lampen (LA1,LA2) gegensinnig magnetisierbar ist.
  32. Ausgangs-Schaltungsanordnung nach Anspruch 31,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Zündkondensator (C17; C18) zwischen der Spule (L2; L3) und dem Kondensator (C15; C16) des Serienresonanzkreises angreift.
  33. Ausgangs-Schaltungsanordnung nach Anspruch 32,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Symmetrierelemente (TR1) ein Zweiwicklungs-Übertrager ist, dessen beide Wicklungen gleiche Windungszahlen aufweisen.
  34. Ausgangs-Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 31 oder 32,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß mindestens ein Paar von Strommeßgliedern (R31, R32), vorzugsweise ein Paar von niederohmigen Shunts, vorgesehen ist, wobei je ein Strommeßglied (R31,R32) in Serie zu je einer Gasentladungslampe geschaltet ist,
    daß mindestens ein Paar von Spannungsmeßgliedern (R25-R28), vorzugsweise von Paar von Spannungsteilern vorgesehen ist, wobei je ein Spannungsmeßglied (R25,R27;R26,R28) parallel zu je einer Gasentladungslampe geschaltet ist und
    daß alle den Meßgliedern entnommenen Meßgrößen (UL1,UL2,IL1,IL2) der Steuer- und Regeleinrichtung zugeführt werden.
  35. Ausgangs-Schaltungsanordnung nach Anspruch 31,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Heizwendeln je einer Gasentladungslampe von je einem Heizübertrager (L5,L4) mit einer Primär und je einer Sekundärwicklung für jede Heizwendel der Gasentladungslampe spannungsgesteuert beheizbar sind, wobei jeder Heizübertrager (L4,L5) primärseitig parallel zu der Gasentladungslampe geschaltet ist, deren Heizwendeln er beheizt.
  36. Ausgangs-Schaltungsanordnung nach Anspruch 35,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß jedem Heizübertrager (L4,L5) primärseitig je ein Strommeßglied (R10,R11) in Serie geschaltet ist, dessen jeweiliges Ausgangssignal (IL1,IL2) der Steuer- und Regeleinrichtung (17) zur Detektion der Heizwendelbeschaffenheit und zur Ableitung eines Fehlersignales hieraus zuführbar ist.
  37. Ausgangs-Schaltungsanordnung nach Anspruch 31 oder 35,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß dem Lampenstrom (IL1,IL2) eine geringfügige Gleichstromkomponente überlagerbar ist, die kontinuierlich oder abhängig von der Helligkeit der Gasentladungslampe anwesend ist und bevorzugt etwa 1 % des Lampenstromes beträgt [Schichtenkompensation].
  38. Ausgangs-Schaltungsanordnung nach Anspruch 37,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Gleichstromkomponente im Lampenstrom durch eine Zenerdiode (V16,V17) bewirkt wird, die in Serie zu dem oder den Heizübertragern(n) (L4,L5) geschaltet ist.
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