EP0593554B1

EP0593554B1 - Schaltungsanordnung zum betrieb einer leuchtstofflampe

Info

Publication number: EP0593554B1
Application number: EP92914012A
Authority: EP
Inventors: Winfried Koenig; Florian Schwabe; Reinhold Fiess; Peter Scharlach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-07-11
Filing date: 1992-07-09
Publication date: 1995-02-22
Anticipated expiration: 2012-07-09
Also published as: JPH06509439A; DE4218959A1; US5436527A; WO1993001694A1; DE59201471D1; EP0593554A1

Abstract

Bei einer Schaltungsanordung zum Betrieb einer Leuchtstofflampe (8) mit steuerbarer Leuchtdichte, wobei die Leuchtstofflampe (8) eine Entladungsstrecke und Heizwendeln (12, 13) aufweist, ist die Entladungsstrecke über einen Transformator (7) an eine steuerbare Wechselstromquelle angeschlossen. Der Strom durch die Heizwendeln (12, 13) ist vorzugsweise derart steuerbar, daß die bewertete Summe aus dem Strom durch die Entladungsstrecke und durch die Heizwendeln im wesentlichen konstant bleibt.

Description

Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Leuchtstofflampe

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Für die Informationsdarstellung in Kraftfahrzeugen werden zunehmend graphische Anzeigevorrichtungen in Flüssigkristalltechnik benutzt. Wegen der hohen optischen Anforderungen werden sogenannte "Active displays" mit internen Farbfiltern im Durchlichtbetrieb benutzt. Dazu werden leistungsstarke, in ihrer Leuchtdichte regelbare Hinterleuchtungsquellen benötigt.
An diese Lichtquellen werden verschiedene Anforderungen gestellt. Neben einer gleichmäßigen Ausleuchtung und einem hohen elektrisch-optischen Wirkungsgrad sind eine geringe Wärmeabstrahlung und eine geringe Temperaturabhängigkeit der Leuchtdichte erforderlich. Wegen der stark wechselnden Lichtverhältnisse im Kraftfahrzeug ist eine in einem großen Bereich steuerbare Leuchtdichte erforderlich. Dabei sollte die minimale Leuchtdichte kleiner als 100 cd/m² und die maximale Leuchtdichte größer als 25000 cd/m² sein. Schließlich soll innerhalb des gesamten Dimmbereichs weißes Licht abgestrahlt werden.
Wegen ihres guten Wirkungsgrades und der damit verbundenen geringen Wärmeabstrahlung sowie ihrer flächigen Beschaffenheit eignen sich Leuchtstofflampen, insbesondere Kompakt-Leuchtstofflampen für diesen Zweck. Es ergeben sich jedoch Schwierigkeiten bezüglich des großen Dimmbereichs und der Temperaturunabhängigkeit.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Leuchtstofflampe anzugeben, welche die Erfüllung der obengenannten Forderungen ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs ermöglicht eine Steuerung der Leuchtdichte im angegebenen Bereich mit geringer Temperaturabhängigkeit der Leuchtdichte, einem guten Wirkungsgrad und einer geringen Wärmeabstrahiung. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin, daß der Lampenstrom im negativ verlaufenden Bereich der U-I-Kennlinie begrenzt wird.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist in besonders vorteilhafter Weise für Hinterleuchtungsquellen von Flüssigkristallanzeigen in Kraftfahrzeugen geeignet. Andere Anwendungen, bei denen ähnliche Forderungen bestehen, sind jedoch nicht ausgeschlossen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Erfindung möglich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1: ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels und
Fig. 2: eine detailliertere Darstellung von wesentlichen Teilen eines weiteren Ausführungsbeispiels.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist eine steuerbare Gleichstromquelle 1 vorgesehen, welche bei 2 an das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs angeschlossen ist. Steuerbare Stromquellen sind an sich bekannt und zeichnen sich durch einen zumindest dynamisch großen Innenwiderstand aus, so daß sie einen Strom abgeben, der weitgehend unabhängig vom Widerstand der angeschlossenen Last ist. Eine einfache Ausführung einer steuerbaren Stromquelle besteht aus einem Transistor in Emitter-Grundschaltung, in dessen Kollektorkreis die Last eingefügt ist und dessen Basis mit einer Steuerspannung bzw. einem Steuerstrom beaufschlagt ist.
Über einen Wahlschalter 3 kann die Stromquelle entweder über einen manuell einstellbaren Spannungsteiler 4 oder über einen Helligkeitsmesser 5 gesteuert werden, wodurch sich eine automatische Anpassung der Leuchtdichte an die Umgebungshelligkeit ergibt. Mit einem ersten Gegentaktzerhacker 6 und einem Lampentransformator 7 wird ein steuerbarer Wechselstrom erzeugt, dessen Amplitude durch den zugeführten Gleichstrom gegeben ist und der der Entladungsstrecke der Leuchtstofflampe 8 zugeführt wird.
Ein weiterer Zerhacker 9 wandelt die Ausgangsspannung einer Spannungsquelle für die Heizwendeln 10 ebenfalls in eine Wechselspannung um, die über den Heiztransformator 11 den Heizwendeln 12, 13 der Leuchtstofflampe 8 zugeführt wird.
Die Spannungsquelle 10 für die Heizwendeln erhält über einen Eingang 14 ebenfalls die Spannung des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs, beispielsweise 12V.
Beide Gegentaktzerhacker 6, 9 werden von einem Gegentaktgenerator 15 gesteuert. Dazu ist eine Frequenz von circa 60 kHz vorteilhaft. Die Leuchtdichte besitzt dann ein Maximum, da ein erneutes Zünden bei jeder Halbwelle bei derart hohen Frequenzen nicht erforderlich ist. Dadurch verringert sich die Lebensdauer bei der Dimmung nur unwesentlich.
Bei dem Blockschaltbild nach Fig. 1 ist ferner eine Schaltung 16 zur Steuerung des Heizstroms vorgesehen, welcher die Größe des Stroms durch die Entladungsstrecke von einem Strommeßwiderstand 17 zugeführt wird. Einzelheiten dieser Steuerung werden später im Zusammenhang mit Fig. 2 genauer erläutert.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung wird die Gleichstromquelle von einem Transistor 21 gebildet, dessen Emitter an den positiven Pol der Betriebsspannungsquelle +U_b angeschlossen ist, beispielsweise eine Fahrzeugbatterie mit 12V oder 24V. Der negative Pol der nicht dargestellten Betriebsspannungsquelle ist mit Massepotential verbunden. Die Größe des Gleichstroms kann mit Hilfe eines Potentiometers 22 eingestellt werden, das an eine stabilisierte Gleichspannung U_c angeschlossen ist. Der Schleifer des Potentiometers 22 ist mit der Basis eines Transistors 23 verbunden, der einen Emitterwiderstand 24 und einen Kollektorwiderstand 25 aufweist und dessen Kollektor an die Basis des Transistors 21 angeschlossen ist.
Im Kollektorkreis des Transistors 21 ist ein Strommeßwiderstand 26 angeordnet, an welchem eine Spannung abfällt, die proportional zum Lampenstrom ist. Der vom Transistor 21 vorgegebene Gleichstrom wird über eine Drosselspule 27 der Mittelanzapfung der Primärwicklung 28 des Lampentransformators 29 zugeführt. Die beiden Enden der symmetrisch aufgebauten Primärwicklung 28 sind an die Drain-Elektrode je eines Feldeffekttransistors 30, 31 angeschlossen und ferner über einen Kondensator 32 miteinander verbunden.
Die Feldeffekttransistoren 30, 31 bilden eine Gegentaktendstufe und werden dazu mit gegenphasigen rechteckförmigen Spannungen angesteuert. Die Steuerspannungen werden in einem Oszillator 33 erzeugt, dessen Frequenz mit Hilfe eines Potentiometers 34 auf die Resonanzfrequenz des von der Primärwicklung 28 und dem Kondensator 32 gebildeten Schwingkreises abgleichbar ist. Dieses hat den Vorteil, daß der aus der Primärwicklung 28 und dem Kondensator 32 gebildete Schwingkreis nicht abgleichbar ausgeführt zu werden braucht, denn zum Betrieb der Leuchtstofflampe wird keine exakt vorgegebene Frequenz benötigt.
Zur Funktionsweise sei erwähnt, daß das Dimmen der Röhre durch Veränderung der Amplitude des höherfrequenten sinusförmigen Wechselstromes erfolgt. Die Frequenz wird dabei zweckmäßigerweise größer 20 kHz gewählt, weil man dabei einerseits ein hohes Dimmverhältnis bis 400:1 erhält und die Lebensdauer der Lampe durch das Dimmen in vorteilhafter Weise nicht beeinträchtigt wird. Entsprechend der Figur 2 wird ein zerhackter Gleichstrom durch die zwei FET-Schalter 30, 31 im 20 bis 100 kHz-Gegentakt auf die Primärseite des Transformators 29 geschaltet. Der Kondensator 32 bildet zusammen mit der Primärinduktivität des Transformators 29, der weiteren Serieninduktivität 27 und der Lampe auf der Sekundärseite einen Schwingkreis. Dieser Schwingkreis ermöglicht eine Umwandlung des Gleichstromes in einen nahezu proportionalen höherfrequenten sinusförmigen Wechselstrom, mit dem die Entladungslampe in ihrer Helligkeit gesteuert werden kann. Zur Erzeugung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises, beispielweise bei 50 kHz, ist eine entsprechende Diminsionierung des Kondensators 32 bzw. des Lampentransformators 29 erforderlich. Um die gewünschte Proportionalität zwischen der Amplitude des sinusförmigen Wechselstromes und des eingespeisten Gleichstromes zu erreichen, sind daher folgende Diminsionierungsvorschriften vorgesehen:

a) ${w*L}_{t} < R₁/ü²$

W

= 2*π*f f = Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises

L_t

= Primärinduktivität des Transformators

R₁

= ohmscher Wirkwiderstand der Lampe

ü

= Übersetzungsverhältnis des Transformators
b) $L_{s} {< 8*L}_{t}$

L_s

= Wert der Serieninduktivität

Bei Einhaltung dieser Vorschriften bildet die Primärinduktivität des Transformators zusammen mit der parallelgeschalteten Kapazität und der Serieninduktivität ein schwingungsfähiges Gebilde. Ein Teil der Energie wird der Lampe als Wirkleistung zugeführt.
Werden die Dimensionsierungsvorschriften nicht eingehalten, wird dem Schwingkreis zuviel Wirkleistung entnommen. Die Schwingung kann nicht aufrechterhalten werden. Die Schaltung funktioniert dann wie ein herkömmlicher Gegentaktzerhacker.
Die Gegentaktausgänge des Oszillators 33 sind über je einen Gegentakttreiber 35, 36; 37, 38 und je einen Schutzwiderstand 39, 40 mit den Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren 30, 31 verbunden.
Die Sekundärwicklung 41 des Lampentransformators 29 weist eine Anzapfung auf, so daß mit Hilfe eines Umschalters 42 entweder die halbe oder die gesamte Windungszahl mit den für die Entladungsstrecke vorgesehenen Anschlüssen "1" und "5" des Lampensteckers 43 verbunden werden kann. Bei einer Batteriespannung von U_b = 12V befindet sich der Umschalter 42 in der gezeichneten Stellung. Für einen Betrieb an einer 24V-Batterie wird der Umschalter 42 in die untere Stellung gebracht, so daß das Übersetzungsverhältnis des Lampentransformators 29 an die höhere Betriebsspannung angepaßt ist. Durch die Steuerung des Heizstroms, die im einzelnen noch genauer beschrieben wird, und durch die Stabilisierung der Betriebsspannung U_c sind keine weiteren Maßnahmen zur Anpassung an verschiedene Betriebsspannungen erforderlich.
Zur Erzeugung des Heizstroms dient ein Heiztrafo 45 mit einer Gegentakt-Primärwicklung 46 und zwei Sekundärwicklungen 47, 48. Letztere sind mit den Anschlüssen "1" und "2" sowie "4" und "5" des Lampensteckers 43 verbunden. Die Primärwicklung 46 des Heiztrafos 45 wird von zwei Feldeffekttransistoren 49, 50 im Gegentakt mit Masse verbunden. Die Feldeffekttransistoren 49, 50 werden über Dämpfungswiderstände 51, 52 von den Gegentakttreibern 35, 36; 37, 38 angesteuert.
Die Mittelanzapfung der Primärwicklung 46 ist über eine Heizdrossel 53 und die Emitter-Kollektorstrecke eines Transistors 54 mit dem positiven Pol der Betriebsspannungsquelle +U_b verbunden. An der Basis des Transistors 54 kann die Heizspannung und damit der Heizstrom gesteuert werden.
Zur Steuerung des Heizstroms wird zunächst mit Hilfe eines Operationsverstärkers 55 und den zugehörigen Widerständen 56, 57, 58 die Differenz zwischen den Spannungen an den Endpunkten des Strommeßwiderstandes 26 gebildet. Ein dieser Differenz entsprechender Spannungswert wird über einen Widerstand 59 dem invertierenden Eingang eines weiteren Operationsverstärkers 60 zugeführt, dessen Verstärkung mit einem Potentiometer 61 eingestellt werden kann. Dem Potentiometer 61 ist ein Kondensator 62 parallelgeschaltet, um Störspannungen zu bedämpfen.
Dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 60 wird eine Vergleichsspannung zugeführt, die aus der mit Hilfe der Z-Diode 63 stabilisierten Spannung gewonnen wird. Dazu wird diese Spannung über einen Längswiderstand 64 einer in Durchlaßrichtung geschalteten lichtemittierenden Diode 65 zugeleitet. Zu Abgleichzwecken wird der damit erzeugten Spannung von etwa 1,5V eine einstellbare Spannung hinzugefügt. Letztere wird mit Hilfe eines Widerstandes 66 und einer in Durchlaßrichtung geschalteten Diode 67 gewonnen, wobei die Summe aus der konstanten und der einstellbaren Spannung vom Schleifer eines Potentiometers 68 dem nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 60 zugeführt ist.
Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 ausgeführt, wird der Heizstrom derart gesteuert, daß die bewertete Summe des Heizstroms und des Lampenstroms konstant ist, was durch folgende Gleichung dargestellt werden kann: $i_{H} {= k₁ - k₂ · i}_{L}$
Die Konstante k₁ kann mit dem Potentiometer 68, die Konstante k₂ mit dem Potentiometer 61 eingestellt werden.

Claims

Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Leuchtstofflampe (8) mit steuerbarer Leuchtdichte, wobei die Leuchtstofflampe (8) eine Entladungsstrecke und Heizwendeln (12, 13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsstrecke über einen Transformator (7, 29) an eine steuerbare Wechselstromquelle angeschlossen ist und daß der Strom durch die Heizwendeln (12, 13) derart steuerbar ist, daß die bewertete Summe aus dem Strom durch die Entladungsstrecke und durch die Heizwendeln (12, 13) im wesentlichen konstant bleibt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstromquelle von einer steuerbaren Gleichstromquelle (21) gebildet wird, deren Strom über zwei im Gegentakt schaltbare Halbleiterschalter (30, 31) einer Primärwicklung (28) des Transformators (29) zuführbar ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwendeln mit je einer Sekundärwicklung (47, 48) eines weiteren Transformators (45) verbunden sind und daß eine Primärwicklung (46) des weiteren Transformators (45) über zwei weitere im Gegentakt schaltbare Halbleiterschalter (49, 50) an eine steuerbare Gleichspannungsquelle (54) angeschlossen ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Stromkreis der Entladungsstrecke eine Strommeßeinrichtung, vorzugsweise ein Strommeßwiderstand (26), angeordnet ist, und daß ein Ausgang der Strommeßeinrichtung mit einer Steuerschaltung (55 bis 68) für die steuerbare Gleichspannungsquelle (54) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrom eine Frequenz im Bereich von 60 kHz aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Glaskörper der Leuchtstofflampe eine leitende Folie angebracht ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtstofflampe mit einer gegebenenfalls transparenten Heizfolie versehen ist.
Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Betrieb einer Leuchtstofflampe, als Hinterbeleuchtungsquelle einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung in einem Kraftfahrzeug.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (28) des Transformators (29) mit einer Mittelanzapfung versehen ist, die über eine Drosselspule (27) mit der steuerbaren Gleichstromquelle (21) verbunden ist, daß die Halbleiterschalter (30, 31) jeweils zwischen einem Wicklungsende und einem Pol einer Betriebsspannungsquelle, vorzugsweise Masse, angeordnet sind und daß die Gleichstromquelle (21) ferner an den anderen Pol der Betriebsspannungsquelle angeschlossen ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (46) des weiteren Transformators (45) mit einer Mittelanzapfung versehen ist, die über eine Drosselspule (53) mit der steuerbaren Gleichspannungsquelle (54) verbunden ist, daß die Halbleiterschalter (49, 50) jeweils zwischen einem Wicklungsende und einem Pol einer Betriebsspannungsquelle, vorzugsweise Masse, angeordnet sind und daß die Gleichspannungsquelle (54) ferner an den anderen Pol der Betriebsspannungsquelle angeschlossen ist.