EP0669789A1 - Schaltungsanordnung zum Betrieb mindestens einer Niederdruckentladungslampe - Google Patents

Schaltungsanordnung zum Betrieb mindestens einer Niederdruckentladungslampe Download PDF

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EP0669789A1
EP0669789A1 EP95101851A EP95101851A EP0669789A1 EP 0669789 A1 EP0669789 A1 EP 0669789A1 EP 95101851 A EP95101851 A EP 95101851A EP 95101851 A EP95101851 A EP 95101851A EP 0669789 A1 EP0669789 A1 EP 0669789A1
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EP
European Patent Office
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circuit arrangement
inverter
voltage
lamp
control unit
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EP95101851A
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English (en)
French (fr)
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EP0669789B1 (de
Inventor
Wolfram Dr. Sowa
Christoph Kreutner
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Osram GmbH
Original Assignee
Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
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Publication date
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/36—Controlling
    • H05B41/38—Controlling the intensity of light
    • H05B41/39—Controlling the intensity of light continuously
    • H05B41/392—Controlling the intensity of light continuously using semiconductor devices, e.g. thyristor
    • H05B41/3921—Controlling the intensity of light continuously using semiconductor devices, e.g. thyristor with possibility of light intensity variations
    • H05B41/3927—Controlling the intensity of light continuously using semiconductor devices, e.g. thyristor with possibility of light intensity variations by pulse width modulation
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/26—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc
    • H05B41/28—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters
    • H05B41/295—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters with semiconductor devices and specially adapted for lamps with preheating electrodes, e.g. for fluorescent lamps
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S315/00—Electric lamp and discharge devices: systems
    • Y10S315/04—Dimming circuit for fluorescent lamps

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for operating at least one low-pressure discharge lamp according to the preamble of patent claim 1.
  • a circuit arrangement corresponding to the preamble of claim 1 is described, for example, in patent specification EP 0 059 064.
  • This circuit arrangement has an externally controlled inverter which feeds a low-pressure discharge lamp with preheated electrode filaments via a series resonant circuit.
  • the lamp is supplied with a current by the inverter, the frequency of which is far above the resonance frequency of the series resonance circuit.
  • the switching frequency of the inverter is shifted in the direction of the resonance frequency of the series resonance circuit in order to generate the required ignition voltage by means of resonance increase.
  • the lamp is then operated at a frequency which is slightly above the resonance frequency of the series resonance circuit now damped by the lamp.
  • the switching frequency of the inverter and thus the frequency of the lamp current is increased again as a function of the setting on the dimming device.
  • the reduced impedance of the resonance capacitance connected in parallel with the discharge lamp due to the frequency increase causes a reduction in the lamp current. In this way, a change in the inverter switching frequency brings about a brightness control of the low-pressure discharge lamp.
  • German patent 33 38 464 discloses a circuit arrangement with a self-oscillating inverter for operating a dimmable fluorescent lamp, in which the brightness control of the fluorescent lamp takes place via a change in the duty cycle of the high-frequency AC voltage generated by the inverter as a function of the setting on the dimming device.
  • circuits of the documents cited above require a comparatively high amount of circuitry and also have the disadvantage that the fluorescent lamps burn immediately at full power immediately after ignition, regardless of the setting on the dimming device, before the control unit matches the frequency or the duty cycle of the inverter has adjusted the setting on the dimmer.
  • the circuit arrangement disclosed here also has a half-bridge inverter which feeds a fluorescent lamp via a series resonant circuit.
  • the brightness control of the lamp takes place in the manner of a phase control.
  • a bridging switch arranged parallel to the lamp bridges the fluorescent lamp during a controllable phase angle of the lamp current which is dependent on the setting on the dimming device.
  • the current flowing over the discharge path is thereby weakened in accordance with the setting on the dimming device.
  • the adjustment of the bypass switch to the switching phases of the inverter requires a lot of circuitry.
  • the circuit arrangement according to the invention essentially consists of an inverter with a downstream LC output circuit for the voltage supply of the low-pressure discharge lamp or low-pressure discharge lamps, a DC voltage supply unit for the inverter, a control unit and a dimming device with which the brightness of the lamp or lamps is adjusted.
  • the dimming device and the control unit are connected to the DC voltage supply unit in such a way that the control unit sets the supply voltage for the inverter to a value which depends on the selected setting on the dimming device.
  • the inverter supply voltage which is reduced in accordance with the setting on the dimming device, brings about a reduced lamp current at a constant or approximately constant operating frequency of the inverter, so that the low-pressure discharge lamp burns with reduced power.
  • the particularly preferred embodiments are a circuit arrangement for operating a fluorescent lamp, in particular for dimming a fluorescent lamp.
  • the fluorescent lamp is supported by a half bridge inverter with a series resonance circuit, in which the lamp is integrated.
  • the DC voltage supply for the half-bridge inverter is provided by a DC voltage supply unit, preferably designed as an inverse or flyback converter, the DC voltage output of which is connected to the input of the inverter.
  • the switching transistor of the inverse or flyback converter receives a control signal from the control unit, which forms the control unit from the setpoint specified by the dimming device and the inverter supply voltage applied to the output capacitor of the DC voltage supply unit as a control variable.
  • the output voltage of the DC voltage supply unit is set by the control unit and the dimming device during lamp operation.
  • the electrode filaments of the fluorescent lamp are usually preheated.
  • the duration of the electrode preheating and the level of the heating voltage must be independent of the preset lamp brightness. Therefore, the control signal of the dimming device has no influence on the control unit during the electrode preheating phase.
  • the transition from the electrode preheating phase to the dimming operation is advantageously carried out by means of a timer which triggers a relay at the end of the preheating phase, which bridges the electrode filaments for igniting the lamp for a short time, and which at the same time ensures that the control unit adjusts the setting on the dimming device Takes over the value for the lamp brightness. This ensures that the lamp burns immediately after starting with the brightness set by the dimmer.
  • the resonance capacitance arranged parallel to the discharge gap consists of two capacitors connected in parallel with one another. During the preheating phase and also during lamp operation (after the lamp has been ignited), both resonance capacitors are integrated in the series resonance circuit. During the ignition phase, however, one of the two capacitors is switched out of the series resonance circuit by the relay.
  • the highly schematic Figure 1 illustrates the basic principle of the circuit arrangement according to the invention. It has a self-oscillating half-bridge inverter T1, T2 with a series resonance circuit connected downstream for the voltage supply of a fluorescent lamp L.
  • the series resonance circuit contains a coupling capacitor CK, a resonance inductance LD, a resonance capacitance CR and the electrode filaments E1, E2 of the lamp L. All these components are connected in series, wherein the resonance capacitance CR is integrated between the two electrode filaments E1, E2 in the series resonant circuit in such a way that it is arranged parallel to the discharge path of the lamp L.
  • the half-bridge inverter T1, T2 receives its supply voltage from the output capacitor C1 of a DC voltage supply unit.
  • a control unit ST controls the half-bridge transistors T1, T2.
  • the working frequency of this half-bridge inverter is close to the resonance frequency of the components CR, LR of its output circuit.
  • a dimming device D is connected to the output C1 of the DC voltage supply unit via a control unit R.
  • the supply voltage for the inverter T1, T2 provided at the output capacitor C1 is dependent on the control unit R. speed regulated by the setting on the dimmer.
  • a lower supply voltage for the half-bridge T1, T2 causes a lower current through the lamp L, which therefore burns with reduced power.
  • FIG. 2 shows the DC voltage supply unit for the half-bridge inverter T1, T2 operated with mains voltage according to a first exemplary embodiment. It consists of an inverse converter with an upstream rectifier G and a high-frequency filter F, which prevents high-frequency interference signals from being coupled into the power grid. A description of a commonly used high-frequency filter F can be found, for example, in European Patent Application EP 0 541 909. A smoothing capacitor C is connected in parallel with the DC voltage output of the rectifier G in order to smooth the rectified mains voltage.
  • the inverse converter consists of a field effect transistor T, an inductor L, a diode D and an electrolytic capacitor C1 which is connected in parallel to the output of the inverse converter.
  • a first input of the control unit R is connected in parallel to the output capacitor C1 of the inverse converter, while a second input of the control unit R is connected to the output of the dimmer D.
  • the output of the control unit R is led to the gate connection of the field effect transistor T.
  • the reference symbols V1, V2 and V3 define interfaces at which the circuit arrangement according to the invention has been separated for the sake of clarity.
  • the circuits of FIGS. 2 and 4 must be put together again at these interfaces.
  • the half-bridge inverter T1, T2 thus receives its supply voltage from the capacitor C1 via the interfaces V1, V2 and the timer ZS is connected to a third input of the control unit R via the interface V3.
  • the inverter is designed as a self-oscillating, current-feedback half-bridge inverter T1, T2.
  • a series resonance circuit is connected to the center tap of the half bridge T1, T2, which comprises a coupling capacitor CK, a resonance inductor LD, a resonance capacitance CR and the electrode filaments E1, E2 of the fluorescent lamp L. All of the components of the series resonant circuit mentioned are connected in series. However, the resonance capacitance CR is integrated in the series resonance circuit in such a way that it is connected in parallel to the discharge path of the lamp L.
  • the circuit arrangement has two switching contacts K1, K2, which are each connected in parallel to one of the electrode filaments E1, E2 and are controlled by the relay RE.
  • the relay RE is also connected to the time switch ZS.
  • the inverse converter at the electrolytic capacitor C1 builds up the supply voltage for the half-bridge inverter T1, T2.
  • This supply voltage is initially independent of the setting on the dimming device and its value is selected so that during the electrode preheating phase the voltage generated by the half bridge T1, T2 at the center tap ensures a sufficient current for electrode preheating through the series resonant circuit.
  • the relay contacts K1, K2 are open, so that the electrode coils E1, E2 are serially integrated in the series resonance circuit and a high-frequency heating current flows through them.
  • the resistance of the electrode coils E1, E2 dampens the series resonance circuit and prevents the lamp L from igniting.
  • the time switch ZS triggers the relay RE, so that both relay contacts K1, K2 are briefly closed for a period of approximately 8 ms are, and simultaneously activates the control unit R.
  • the electrode coils E1, E2 are bridged and the series resonance circuit is damped.
  • the ignition voltage for the fluorescent lamp L builds up at the resonance capacitance CR.
  • the relay contacts K1, K2 are open again during normal lamp operation, that is to say after the lamp L has been ignited.
  • the control unit R activated by the time switch ZS detects the supply voltage applied to the output capacitor C1 for the inverter ter T1, T2 and compares this with the setpoint determined by the setting on the dimming device and supplied by the dimming device R and controls the pulse duty factor of this transistor T via its connection to the gate electrode of the field effect transistor T and thus regulates the output voltage of the inverse converter at the electrolytic capacitor C1 .
  • a reduced output voltage of the inverse converter means a reduced supply voltage for the half-bridge inverter T1, T2.
  • the voltage drop at the center tap of the half-bridge inverter T1, T2 is then also reduced accordingly, so that a reduced current flows through the series resonance circuit and over the discharge path of the lamp L. In this way, the power and the brightness of the fluorescent lamp L are controlled by regulating the inverter supply voltage as a function of the setting on the dimming device.
  • FIGS. 6 and 7 illustrate the timing of the control signals for the relay RE (curve 1 in each case) and for the control unit R (curve 2 in each case) during the transition from the electrode preheating phase to normal lamp operation for two different dimmer settings.
  • the control signal for the control unit R (FIGS. 6 and 7, curve 2) and thus also the control voltage for the gate electrode of the transistor T is independent of the setting on the dimming device D.
  • the relay RE receives no control signal and the switch contacts K1, K2 are open. Only at the beginning of the ignition phase is the control unit R activated and the gate electrode of the transistor T receives different control signals in accordance with the dimmer settings.
  • the ignition phase lasts approx. 8 ms.
  • the relay RE receives a control signal that closes both relay contacts K1, K2. After the lamp L has been ignited, both relay contacts are open again, the relay RE receives no control signal and the control voltage for the gate electrode of the transistor T is determined by the setting on the dimming device D and by the control unit R.
  • FIG. 5 shows a second embodiment of the circuit arrangement according to the invention. At the interfaces V1, V2 and V3, it is connected to the inverse converter shown in FIG. It differs from the first embodiment only in the resonance capacitance.
  • the resonance capacitance is designed in two parts in the second embodiment. It consists of the resonance capacitors CR1 and CR2 connected in parallel, both of which are arranged parallel to the discharge path of the lamp. During the preheating phase and after the lamp has started, both resonance capacitors CR1, CR2 are integrated in the series resonance circuit (position of the switching contacts K1, K2 as shown in FIG. 5).
  • the resonance capacitor CR2 is switched out of the series resonance circuit by briefly switching the relay contacts K1, K2, so that only the capacitance of the capacitor CR1 is effective.
  • This measure allows the voltage drop across the discharge path of the lamp L to be reduced during the preheating phase and increased during the ignition phase. In this way, cold starts of the fluorescent lamp L are avoided, on the one hand, and a safe lamp start during the ignition phase, on the other hand, is made possible.
  • the flyback converter shown in FIG. 3 can also be used to supply power to the half-bridge inverter T1, T2.
  • the flyback converter is fed via the high-frequency filter F and the rectifier G with the rectified mains voltage smoothed by the smoothing capacitor C '. It consists of a field effect transistor T ', a transformer TR, a diode D' and the electrolytic capacitor C1 connected in parallel with its output.
  • a description of the structure and operation of a flyback converter can be found, for example, in the book "Clocked Power Supply" by J. Beckmann, Franzis-Verlag GmbH, pages 19-24 and is therefore not to be explained in more detail here.
  • the control unit R and the dimming device D are, as already described in the first exemplary embodiment, connected to the gate electrode of the field effect transistor T 'and the output capacitor C1 of the flyback converter.
  • the control unit R uses the pulse duty factor of the transistor T 'to control the supply voltage applied to the electrolytic capacitor C1 for the half-bridge inverter T1, T2 as a function of the selected setting on the dimming device.
  • the regulation of the inverter voltage supply according to the setting on the dimming device is also activated in this exemplary embodiment only at the beginning of the ignition phase by the time switch ZS.
  • the reference symbols V1, V2 and V3 define interfaces via which the flyback converter shown in FIG. 3 is connected to one of the circuits shown in FIG. 4 or 5 according to the first or second exemplary embodiment.
  • the dimming device D, the time switch ZS and the control unit R can be implemented in different ways.
  • the dimming device D generates a voltage between approx. 1 V (lowest dimming level) and 10 V (highest dimming level) at the input of the control unit R. In the simplest case, this can be achieved, for example, using a dimming potentiometer.
  • a time switch ZS For example, an RC element with a downstream comparator is suitable. The time constant of this RC element essentially determines the duration of the electrode preheating phase.
  • the control unit R can be implemented, for example, as a PI or PID controller with an upstream subtractor.
  • the subtractor forms a differential voltage from the dimmer signal and, for example, from a voltage signal proportional to the supply voltage of the inverter, from which a signal for controlling the gate electrode of the transistor T, T 'of the DC voltage supply unit is derived.
  • the power of the lamp L can be dimmed down to 5% of its nominal value.

Landscapes

  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)
  • Discharge-Lamp Control Circuits And Pulse- Feed Circuits (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb mindestens einer Niederdruckentladungslampe (L), insbesondere zum Dimmbetrieb einer Leuchtstofflampe (L). Der Wert der am Ausgang (C1) einer Gleichspannungsversorgungseinheit bereitgestellten Versorgungsspannung für den die Entladungslampe (L) speisenden Wechselrichter (T1, T2) wird, während des Lampenbetriebes, mittels einer Regelungseinheit (R) in Abhängigkeit von der gewählten Einstellung an der Dimmvorrichtung (D) geregelt. Auf diese kann die Lampenleistung und damit die Helligkeit der Leuchtstofflampe (L) im Bereich von 5 % bis 100 % ihres Nominalwertes reguliert werden. Vorzugsweise wird die Regelung der Wechselrichterversorgungsspannung erst zu Beginn der Zündphase durch einen Zeitschalter aktiviert. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin, daß die Lampe (L) nicht mit voller Leistung, sondern mit einer von der Einstellung an der Dimmvorrichtung abhängigen Helligkeit zündet. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb mindestens einer Niederdrukkentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Insbesondere handelt es sich um eine Schaltungsanordnung zum Dimmbetrieb von Leuchtstofflampen.
  • Eine dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entsprechende Schaltungsanordnung ist beispielsweise in der Patentschrift EP 0 059 064 beschrieben. Diese Schaltungsanordnung besitzt einen fremdgesteuerten Wechselrichter, der über einen Serienresonanzkreis eine Niederdruckentladungslampe mit vorgeheizten Elektrodenwendeln speist. Während der Elektrodenvorheizphase, also vor dem Zünden der Entladungslampe, wird die Lampe vom Wechselrichter mit einem Strom versorgt, dessen Frequenz weit oberhalb der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises liegt. Zum Zünden der Lampe wird die Schaltfrequenz des Wechselrichters in Richtung der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises verschoben, um mittels Resonanzüberhöhung die erforderliche Zündspannung zu erzeugen. Der Lampenbetrieb erfolgt dann bei einer Frequenz, die geringfügig oberhalb der Resonanzfrequenz des nun durch die Lampe gedämpften Serienresonanzkreises liegt. Zum Dimmen, d. h., zur Helligkeitssteuerung der Leuchtstofflampe wird die Schaltfrequenz des Wechselrichters und damit die Frequenz des Lampenstromes in Abhängigkeit von der Einstellung an der Dimmvorrichtung wieder erhöht. Die durch die Frequenzerhöhung verringerte Impedanz der parallel zur Entladungslampe geschalteten Resonanzkapzität verursacht eine Reduktion des Lampenstromes. Auf diese Weise bewirkt eine Änderung der Wechselrichterschaltfrequenz eine Helligkeitssteuerung der Niederdruckentladungslampe.
  • In dem deutschen Patent 33 38 464 ist eine Schaltungsanordnung mit einem selbstschwingenden Wechselrichter zum Betrieb einer dimmbaren Leuchtstofflampe offenbart, bei der die Helligkeitssteuerung der Leuchtstofflampe über eine Änderung des Tastverhältnisses der vom Wechselrichter erzeugten hochfrequenten Wechselspannung in Abhängigkeit von der Einstellung an der Dimmvorrichtung erfolgt.
  • Aus dem deutschen Gebrauchsmuster 89 15 386 ist ferner eine Schaltungsanordnung gemäß des Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, die zum Dimmen der Leuchtstofflampe eine Kombination aus Frequenz- und Tastverhältnisänderung der vom Wechselrichter erzeugten Wechselspannung ausnutzt.
  • Die Schaltungen der oben zitierten Schriften erfordern einen vergleichsweise hohen Schaltungsaufwand und haben außerdem den Nachteil, daß die Leuchtstofflampen unmittelbar nach der Zündung, unabhängig von der Einstellung an der Dimmvorrichtung, zunächst mit voller Leistung brennen, bevor die Regelungseinheit die Frequenz oder das Tastverhältnis des Wechselrichters entsprechend der Einstellung an der Dimmvorrichtung angepaßt hat.
  • Ein anderes Dimmverfahren wird in dem deutschen Gebrauchsmuster 91 00 552 vorgeschlagen. Die hier offenbarte Schaltungsanordnung besitzt ebenfalls einen Halbbrückenwechselrichter, der über einen Serienresonanzkreis eine Leuchtstofflampe speist. Die Helligkeitssteuerung der Lampe erfolgt nach Art einer Phasenanschnittsteuerung. Ein parallel zur Lampe angeordneter Überbrükkungsschalter überbrückt die Leuchtstofflampe während eines regelbaren, von der Einstellung an der Dimmvorrichtung abhängigen, Phasenwinkels des Lampenstromes. Der über die Entladungsstrekke fließende Strom wird dadurch, entsprechend der Einstellung an der Dimmvorrichtung, geschwächt. Die Abstimmung des Überbrückungsschalters auf die Schaltphasen des Wechselrichters erfordert allerdings einen hohen Schaltungsaufwand.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Schaltungsanordnung zum Betrieb, insbesondere zum Dimmbetrieb, mindestens einer Niederdruckentladungslampe anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung besteht im wesentlichen aus einem Wechselrichter mit nachgeschaltetem LC-Ausgangskreis zur Spannungsversorgung der Niederdruckentladungslampe bzw. Niederdruckentladungslampen, einer Gleichspannungsversorgungseinheit für den Wechselrichter, einer Regelungseinheit und einer Dimmvorrichtung, mit der die Helligkeit der Lampe bzw. Lampen eingestellt wird. Die Dimmvorrichtung und die Regelungseinheit sind derart mit der Gleichspannungsversorgungseinheit verschaltet, daß die Regelungseinheit die Versorgungsspannung für den Wechselrichter auf einen Wert einstellt, der von der gewählten Einstellung an der Dimmvorrichtung abhängt. Die entsprechend der Einstellung an der Dimmvorrichtung verringerte Wechselrichterversorgungsspannung bewirkt bei konstanter oder näherungsweise konstanter Arbeitsfrequenz des Wechselrichters einen reduzierten Lampenstrom, so daß die Niederdruckentladungslampe mit verringerter Leistung brennt. Bei den besonders bevorzugten Ausführungen handelt es sich um eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Leuchtstofflampe, insbesondere zum Dimmen einer Leuchtstofflampe. Die Leuchtstofflampe wird von einem Halbbrückenwechselrichter mit einem nachgeschalteten Serienresonanzkreis, in den die Lampe integiert ist, gespeist. Die Gleichspannungsversorgung des Halbbrückenwechselrichters übernimmt eine vorzugsweise als Invers- oder Sperrwandler ausgeführte Gleichspannungsversorgungseinheit, deren Gleichspannungsausgang mit dem Eingang des Wechselrichters verschaltet ist. Der Schalttransistor des Invers- oder Sperrwandlers erhält von der Regelungseinheit ein Steuersignal, das die Regelungseinheit aus dem von der Dimmvorrichtung vorgegebenen Sollwert und der am Ausgangskondensator der Gleichspannungsversorgungseinheit anliegenden Wechselrichterversorgungsspannung als Regelgröße bildet. Auf diese Weise wird die Ausgangsspannung der Gleichspannungsversorgungseinheit während des Lampenbetriebes durch die Regelungseinheit und die Dimmvorrichtung eingestellt. Um einen schonenden Lampenstart zu ermöglichen, werden die Elektrodenwendeln der Leuchtstofflampe üblicherweise vorgeheizt. Die Dauer der Elektrodenvorheizung und auch die Höhe der Heizspannung müssen unabhängig von der voreingestellten Lampenhelligkeit sein. Deshalb hat das Steuersignal der Dimmvorrichtung während der Elektrodenvorheizphase keinen Einfluß auf die Regelungseinheit.
  • Der Übergang von der Elektrodenvorheizphase zum Dimmbetrieb erfolgt bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vorteilhafterweise mittels eines Zeitschalters, der am Ende der Vorheizphase ein Relais auslöst, das die Elektrodenwendeln zum Zünden der Lampe kurzzeitig überbrückt, und der gleichzeitig dafür sorgt, daß die Regelungseinheit den an der Dimmvorrichtung eingestellten Wert für die Lampenhelligkeit übernimmt. Dadurch wird gewährleistet, daß die Lampe bereits unmittelbar nach dem Start mit der über die Dimmvorrichtung eingestellten Helligkeit brennt. Um den Spannungsabfall über der Entladungsstrecke während der Vorheizphase zu verringern und während der Zündphase zu erhöhen, besteht bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel die parallel zur Entladungsstrecke angeordnete Resonanzkapazität aus zwei parallel zueinander geschalteten Kondensatoren. Während der Vorheizphase und auch beim Lampenbetrieb (nach erfolgter Zündung der Lampe) sind beide Resonanzkondensatoren in den Serienresonanzkreis integriert. Während der Zündphase hingegen wird einer der beiden Kondensatoren durch das Relais aus dem Serienresonanzkreis herausgeschaltet.
  • Nachstehend wird die Erfindung anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1 Das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
    • Figur 2 Die Gleichspannungsversorgungseinheit für den Wechselrichter als Inverswandler ausgeführt
    • Figur 3 Die Gleichspannungsversorgungseinheit für den Wechselrichter als Sperrwandler ausgeführt
    • Figur 4 Den Wechselrichter mit nachgeschaltetem Serienresonanzkreis und darin integrierter Leuchtstofflampe gemäß des ersten Ausführungsbeispiels
    • Figur 5 Den Wechselrichter mit nachgeschaltetem Serienresonanzkreis und darin integrierter Leuchtstofflampe gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels
    • Figur 6 Zeitlicher Verlauf der Steuersignale für das Relais (Kurve 1) und für die Wechselrichterversorgungsspannungregelung (Kurve 2) während der Übergangsphase von der Elektrodenvorheizung in den Dimmbetrieb bei höchster Dimmerstellung
    • Figur 7 Zeitlicher Verlauf der Steuersignale für das Relais (Kurve 1) und für die Wechselrichterversorgungsspannungregelung (Kurve 2) während der Übergangsphase von der Elektrodenvorheizung in den Dimmbetrieb bei niedrigster Dimmerstellung
  • Die stark schematisierte Figur 1 verdeutlicht das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Sie besitzt einen selbstschwingenden Halbbrückenwechselrichter T1, T2 mit einem nachgeschalteten Serienresonanzkreis zur Spannungsversorgung einer Leuchtstofflampe L. Der Serienresonanzkreis enthält einen Koppelkondensator CK, eine Resonanzinduktivität LD, eine Resonanzkapazität CR und die Elektrodenwendeln E1, E2 der Lampe L. Alle diese Bauteile sind in Reihe geschaltet, wobei die Resonanzkapazität CR derart zwischen die beiden Elektrodenwendeln E1, E2 in den Serienresonanzkreis integriert ist, daß sie parallel zur Entladungsstrecke der Lampe L angeordnet ist. Der Halbbrückenwechselrichter T1, T2 erhält seine Versorgungsspannung von dem Ausgangskondensator C1 einer Gleichspannungsversorgungseinheit. Die Ansteuerung der Halbbrückentransistoren T1, T2 übernimmt eine Steuerungseinheit ST. Die Arbeitsfrequenz dieses Halbbrückenwechselrichters liegt dabei in der Nähe der Resonanzfrequenz der Bauteile CR, LR seines Ausgangskreises. Eine Dimmvorrichtung D ist über eine Regelungseinheit R mit dem Ausgang C1 der Gleichspannungsversorgungseinheit verschaltet.
  • Zur Helligkeitsregulierung der Lampe L wird mittels der Regelungseinheit R die am Ausgangskondensator C1 bereitgestellte Versorgungsspannung für den Wechselrichter T1, T2 in Abhängigkeit von der Einstellung an der Dimmvorrichtung geregelt.
  • Eine geringere Versorgungsspannung für die Halbbrücke T1, T2 verursacht einen geringeren Strom durch die Lampe L, die deshalb mit reduzierter Leistung brennt. Dadurch wird der Serienresonanzkreis, bestehend aus dem Resonanzkondensator CR und der Resonanzinduktivität LR, entlastet, so daß die Güte des Schwingkreises und damit die Spannung am Resonanzkondensator CR steigt. Gleichzeitig erhöht sich dadurch der Strom durch den Kondensator CR und der Strom durch die dazu in Reihe geschalteten Elektrodenwendeln E1, E2 der Lampe L.
  • Figur 2 zeigt die mit Netzspannung betriebene Gleichspannungsversorgungseinheit für den Halbbrückenwechselrichter T1, T2 gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels. Sie besteht aus einem Inverswandler mit einem vorgeschalteten Gleichrichter G und einem Hochfrequenzfilter F, das eine Einkopplung von hochfrequenten Störsignalen in das Stromnetz verhindert. Eine Beschreibung eines üblicherweise verwendeten Hochfrequenzfilters F findet sich beispielsweise in der europäischen Offenlegungsschrift EP 0 541 909. Parallel zum Gleichspannungsausgang des Gleichrichters G ist, zur Glättung der gleichgerichteten Netzspannung, ein Glättungskondensator C geschaltet. Der Inverswandler besteht aus einem Feldeffekttransistor T, einer Drossel L, einer Diode D und einem Elektrolytkondensator C1, der parallel zum Ausgang des Inverswandlers geschaltet ist. Diese, den Inverswandler bildenden Bauteile sind so verschaltet, daß die Ausgangsspannung des Inverswandlers auf der gleichgerichteten momentanen Netzspannung aufsetzt. Ein erster Eingang der Regelungseinheit R ist parallel zum Ausgangskondensator C1 des Inverswandlers geschaltet, während ein zweiter Eingang der Regelungseinheit R mit dem Ausgang des Dimmers D verbunden ist. Der Ausgang der Regelungseinheit R ist zum Gate-Anschluß des Feldeffekttransistors T geführt. Das Funktionsprinzip eines Inverswandlers ist beispielsweise in dem Buch "Getaktete Stromversorgung" von J. Beckmann, Franzis-Verlag GmbH, Seiten 17-19 beschrieben und soll daher hier nicht näher erläutert werden.
  • Die Bezugszeichen V1, V2 und V3 definieren Schnittstellen, an denen die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung der Übersichtlichkeit halber aufgetrennt wurde. Um die vollständige Schaltungsanordnung gemäß des ersten Ausführungsbeispiels zu erhalten, müssen die Schaltungen der Figuren 2 und 4 an diesen Schnittstellen wieder zusammengefügt werden. So erhält der Halbbrückenwechselrichter T1, T2 vom Kondensator C1 über die Schnittstellen V1, V2 seine Versorgungsspannung und der Zeitschalter ZS ist über die Schnittstelle V3 mit einem dritten Eingang der Regelungseinheit R verbunden. Der Wechselrichter ist als selbstschwingender, stromrückgekoppelter Halbbrückenwechselrichter T1, T2 ausgeführt. Eine detaillierte Beschreibung der Ansteuerung ST für die Basis- bzw. Gate-Elektroden der Schalttransistoren T1, T2 des Wechselrichters findet man beispielsweise in dem Buch "Schaltnetzteile" von W. Hirschmann/ A. Hauenstein, Hrsg. Siemens AG, Ausgabe 1990 auf Seite 63. An den Mittenabgriff der Halbbrücke T1, T2 ist ein Serienresonanzkreis angeschlossen, der einen Koppelkondensator CK, eine Resonanzinduktivität LD, eine Resonanzkapazität CR und die Elektrodenwendeln E1, E2 der Leuchtstofflampe L umfaßt. Sämtliche genannten Bauteile des Serienresonanzkreises sind in Reihe geschaltet. Die Resonanzkapazität CR ist allerdings derart in den Serienresonanzkeis integriert, daß sie parallel zur Entladungsstrecke der Lampe L geschaltet ist. Außerdem besitzt die Schaltungsanordnung zwei Schaltkontakte K1, K2, die jeweils parallel zu einer der Elektrodenwendeln E1, E2 geschaltet sind und vom Relais RE gesteuert werden. Das Relais RE ist ferner mit dem Zeitschalter ZS verbunden.
  • Nach dem Einschalten der Schaltungsanordnung baut der Inverswandler am Elektrolytkondensator C1 die Versorgungsspannung für den Halbbrückenwechselrichter T1, T2 auf. Diese Versorgungsspannung ist zunächst unabhängig von der Einstellung an der Dimmvorrichtung und ihr Wert ist so gewählt, daß während der Elektrodenvorheizphase die von der Halbbrücke T1, T2 am Mittenabgriff erzeugte Spannung einen zur Elektrodenvorheizung ausreichenden Strom durch den Serienresonanzkreis gewährleistet. Während dieser Elektrodenvorheizphase, die ca. 2 Sekunden dauert, sind die Relaiskontakte K1, K2 geöffnet, so daß die Elektrodenwendeln E1, E2 seriell in den Serienresonanzkreis integriert sind und von einem hochfrequenten Heizstrom durchflossen werden. Der Widerstand der Elektrodenwendeln E1, E2 dämpft den Serienresonanzkreis und verhindert ein Durchzünden der Lampe L. Am Ende der Vorheizphase löst der Zeitschalter ZS das Relais RE aus, so daß beide Relaiskontakte K1, K2 kurzzeitig, für eine Zeitspanne von ca. 8 ms, geschlossen werden, und aktiviert gleichzeitig die Regelungseinheit R. Durch das kurzzeitige Schließen der Schaltkontakte K1, K2 werden die Elektrodenwendeln E1, E2 überbrückt und der Serienresonanzkreis entdämpft. Dadurch baut sich an der Resonanzkapazität CR die Zündspannung für die Leuchtstofflampe L auf. Während des normalen Lampenbetriebes, also nach erfolgter Zündung der Lampe L, sind die Relaiskontakte K1, K2 wieder geöffnet. Die durch den Zeitschalter ZS aktivierte Regelungseinheit R detektiert die am Ausgangskondensator C1 anliegende Versorgungsspannung für den Wechselrichter T1, T2 und vergleicht diese mit dem von der Dimmvorrichtung R gelieferten, durch die Einstellung an der Dimmvorrichtung bestimmten Sollwert und steuert über ihre Verbindung zur Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors T das Tastverhältnis dieses Transistors T und regelt damit die Ausgangsspannung des Inverswandlers am Elektrolytkondensator C1. Eine verringerte Ausgangsspannung des Inverswandlers bedeutet eine reduzierte Versorgungsspannung für den Halbbrückenwechselrichter T1, T2. Der Spannungsabfall am Mittenabgriff des Halbbrückenwechselrichters T1, T2 ist dann ebenfalls entsprechend reduziert, so daß durch den Serienresonanzkreis und über die Entladungsstrecke der Lampe L ein verringerter Strom fließt. Auf diese Weise werden die Leistung und die Helligkeit der Leuchtstofflampe L durch eine Regelung der Wechselrichterversorgungsspannung in Abhängigkeit von der Einstellung an der Dimmvorrichtung gesteuert.
  • Die stark schematisierten Figuren 6 und 7 illustrieren den zeitlichen Verlauf der Steuersignale für das Relais RE (jeweils Kurve 1) und für die Regelungseinheit R (jeweils kurve 2) beim Übergang von der Elektrodenvorheizphase zum normalen Lampenbetrieb für zwei unterschiedliche Dimmereinstellungen. Während der ca. 2 s dauernden Elektrodenvorheizphase ist das Steuersignal für die Regelungseinheit R (Fig. 6 und 7, Kurve 2) und damit auch die Steuerspannung für die Gate-Elektrode des Transistors T unabhängig von der Einstellung an der Dimmvorrichtung D. Das Relais RE erhält kein Steuersignal und die Schaltkontakte K1, K2 sind geöffnet. Erst zu Beginn der Zündphase wird die Regelungseinheit R aktiviert und die Gate-Elektrode des Transistors T empfängt, entsprechend den Dimmereinstellungen, unterschiedliche Steuersignale. Die Zündphase dauert ca. 8 ms. Während dieser Zeitspanne erhält das Relais RE ein Steuersignal, das beide Relaiskontakte K1, K2 schließt. Nach erfolgter Zündung der Lampe L sind beide Relaiskontakte wieder geöffnet, das Relais RE erhält kein Steuersignal und die Steuerspannung für die Gate-Elektrode des Transistors T wird durch die Einstellung an der Dimmvorrichtung D und durch die Regelungseinheit R bestimmt.
  • Figur 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. An den Schnittstellen V1, V2 und V3 ist sie mit dem in Figur 2 dargestellten Inverswandler verbunden. Es unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel nur durch die Resonanzkapazität. Die Resonanzkapazität ist beim zweiten Ausführungsbeispiel zweiteilig ausgeführt. Sie besteht aus den parallel zueinander geschalteten Resonanzkondensatoren CR1 und CR2, die beide parallel zur Entladungstrecke der Lampe angeordnet sind. Während der Vorheizphase und nach erfolgtem Lampenstart sind beide Resonanzkondensatoren CR1, CR2 in den Serienresonanzkreis integriert (Stellung der Schaltkontakte K1, K2 wie in Fig. 5 abgebildet). Während der Zündphase hingegen wird, durch kurzzeitiges Umschalten der Relaiskontakte K1, K2, der Resonanzkondensator CR2 aus dem Serienresonanzkreis herausgeschaltet, so daß nur die Kapazität des Kondensators CR1 wirksam ist. Durch diese Maßnahme kann der Spannungabfall über der Entladungstrecke der Lampe L während der Vorheizphase verringert und während der Zündphase erhöht werden. Auf diese Weise werden einerseits Kaltstarts der Leuchtstofflampe L vermieden und andererseits ein sicherer Lampenstart während der Zündphase ermöglicht.
  • Anstelle eines Inverswandlers kann zur Spannungsversorgung des Halbbrückenwechselrichters T1, T2 auch der in Figur 3 dargestellte Sperrwandler verwendet werden. Der Sperrwandler wird über das Hochfrequenzfilter F und den Gleichrichter G mit der gleichgerichteten und vom Glättungskondensator C' geglätteten Netzspannung gespeist. Er besteht aus einem Feldeffekttransistor T', einem Transformator TR, einer Diode D' und dem parallel zu seinem Ausgang geschalteten Elektrolytkondensator C1. Eine Beschreibung des Aufbaus und der Funktionsweise eines Sperrwandlers findet man beispielsweise in dem Buch "Getaktete Stromversorgung" von J. Beckmann, Franzis-Verlag GmbH, Seiten 19-24 und soll daher hier nicht näher erläutert werden. Die Regelungseinheit R und die Dimmvorrichtung D sind, wie bereits beim ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, mit der Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors T' und dem Ausgangskondensator C1 des Sperrwandlers verschaltet. Auch hier steuert die Regelungseinheit R über das Tastverhältnis des Transistors T' die am Elektrolytkondensator C1 anliegende Versorgungsspannung für den Halbbrückenwechselrichter T1, T2 in Abhängigkeit von der gewählten Einstellung an der Dimmvorrichtung. Die Regelung der Wechselrichterspannugsversorgung entsprechend der Einstellung an der Dimmvorrichtung wird auch bei diesem Ausführungsbeispiel erst zu Beginn der Zündphase durch den Zeitschalter ZS aktiviert. Die Bezugszeichen V1, V2 und V3 definieren Schnittstellen, über die der in Figur 3 abgebildete Sperrwandler mit einer der in Figur 4 oder 5 dargestellten Schaltungen gemäß des ersten bzw. zweiten Ausführungsbeispiels verbunden ist.
  • Die Dimmvorrichtung D, der Zeitschalter ZS und die Regelungseinheit R können auf verschiedene Weise realisiert werden. Die Dimmvorrichtung D erzeugt am Eingang der Regelungseinheit R eine Spannung zwischen ca. 1 V (niedrigste Dimmstufe) und 10 V (höchste Dimmstufe). Das kann im einfachsten Fall beispielsweise mittels eines Dimmpotentiometers erreicht werden. Als Zeitschalter ZS eignet sich beispielsweise ein RC-Glied mit nachgeschaltetem Komparator. Die Zeitkonstante dieses RC-Gliedes bestimmt im wesentlichen die Dauer der Elektrodenvorheizphase. Die Regelungseinheit R kann beispielsweise als Pl- oder PID-Regler mit einem vorgeschalteten Subtrahierer realisiert werden. Der Subtrahierer bildet in diesem Fall aus dem Dimmersignal und beispielsweise aus einem zur Versorgungsspannung des Wechselrichters proportionalen Spannungssignal eine Differenzspannung, aus der ein Signal zur Ansteuerung der Gate-Elektrode des Transistors T, T' der Gleichspannungsversorgungseinheit abgeleitet wird.
  • Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann die Leistung der Lampe L bis auf 5 % ihres Nominalwertes heruntergedimmt werden.

Claims (9)

1. Schaltungsanordnung zum Betrieb mindestens einer Niederdruckentladungslampe mit
- einem Wechselrichter (T1, T2) zur Spannungsversorgung der Niederdruckentladungslampe (L) bzw. Niederdruckentladungslampen
- einer Gleichspannungsversorgungseinheit, an derem Ausgang die Versorgungsspannung für den Wechselrichter (T1, T2) anliegt
- einer Dimmvorrichtung (D) zur Helligkeitsregulierung der Lampe (L) bzw. der Lampen

dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung eine Regelungseinheit (R) besitzt, die mit der Dimmvorrichtung (D) und mit der Gleichspannungversorgungseinheit derart verschaltet ist, daß die Regelungseinheit (R) die Versorgungsspannung für den Wechselrichter (T1, T2) auf einen Wert einstellt, der von der Einstellung an der Dimmvorrichtung D abhängt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsversorgungseinheit ein Inverswandler ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsversorgungseinheit ein Sperrwandler ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Ausgang der Gleichspannungsversorgungseinheit ein Ausgangskondensator (C1) geschaltet ist, an dem die Versorgungsspannung für den Wechselrichter (T1, T2) anliegt.
5. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Eingang der Regelungseinheit (R) mit dem Ausgang des Dimmers (D) verbunden ist, ein zweiter Eingang der Regelungseinheit (R) parallel zum Ausgangskondensator (C1) geschaltet ist und der Ausgang der Regelungseinheit (R) zur Steuerelektrode des Schalttransistors (T, T') der Gleichspannungsversorgungseinheit geführt ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung einen frei schwingenden Halbbrückenwechselrichter (T1, T2) mit einem Serienresonanzkreis, enthaltend einen Koppelkondensator (CK), eine Resonanzinduktivität (LD) und eine Resonanzkapazität (CR), zur Spannungsversorgung einer Leuchtstofflampe (L) besitzt.
7. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenwendeln (E1, E2) der Leuchtstofflampe (L) in Reihe zu den elektronischen Bauelementen (CK, LD, CR) des Resonanzkreises geschaltet sind und parallel zu den Elektrodenwendeln (E1, E2) jeweils ein Schaltkontakt (K1, K2) geschaltet ist.
8. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung einen Zeitschalter (ZS) enthält, der die Regelungseinheit (R) und die Schaltkontakte (K1, K2) ansteuert.
9. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzkapazität von zwei parallel zueinander geschalteten Resonanzkondensatoren (CR1, CR2) gebildet wird.
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